基于6LOWPAN傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

摘要 在研究6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及IPv6網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，提出一種基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)關(guān)解決方案，實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)，并對網(wǎng)關(guān)中的硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。最后搭建測試網(wǎng)絡(luò)，通過對端到端網(wǎng)絡(luò)的連接性、延時(shí)變化、往返延時(shí)、丟包率以及吞吐量的測試，對該網(wǎng)絡(luò)性能作出簡要分析。測試結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，并能在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運(yùn)行。
關(guān)鍵詞 6LoWPAN；網(wǎng)關(guān)；IPv6；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：Contiki

目前IEEE 802．15．4已成為針對低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低可靠性的通用標(biāo)準(zhǔn)。如ZigBee、WirelessHART等在物理層和MAC層均采用IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，但在網(wǎng)絡(luò)層它們采用各自定義的協(xié)議，不能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的互聯(lián)。且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)一般采用自定義的通信地址，地址數(shù)量有限，僅在單個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)有效。而IPv6具有充足的地址空間，IPv6所具有的特性較好地滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，是物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模發(fā)展的基礎(chǔ)性保證。因此，物聯(lián)網(wǎng)采用IPv6協(xié)議實(shí)現(xiàn)其廣泛互聯(lián)通成為必然趨勢。IETF成立了3個(gè)工作組進(jìn)行低功耗IPv6網(wǎng)絡(luò)方面的研究，旨在將IPv6與資源受限的無線網(wǎng)絡(luò)無縫連接。
文中對基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及IPv6網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了研究，主要目標(biāo)在于設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一種基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)關(guān)。實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6有線網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)，建立一種能普遍應(yīng)用的系統(tǒng)平臺架構(gòu)，并在軟硬件上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

1 研究概況
將IPv6技術(shù)引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)可便于實(shí)現(xiàn)與IPv6有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端對端的通信，提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率，增強(qiáng)了安全性。文獻(xiàn)中提出了IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，旨在實(shí)現(xiàn)IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，并討論了采用網(wǎng)關(guān)接入方式，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。
對于傳感器網(wǎng)關(guān)架構(gòu)的研究，有3種不同的設(shè)計(jì)思想。一是文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)，客戶端通過采用Web技術(shù)獲取無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。這類解決方案的缺點(diǎn)是使用專有的協(xié)議連接傳感器節(jié)點(diǎn)，相當(dāng)于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet之間放置了代理服務(wù)器，并不能實(shí)現(xiàn)客戶端與傳感器節(jié)點(diǎn)直接通信；二是文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)，是基于具體應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，描述了在該應(yīng)用場景下網(wǎng)關(guān)的信息交互，并未涉及網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)；三是文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)關(guān)架構(gòu)。文獻(xiàn)提出了基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)關(guān)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)短地址與IPv6地址之間直接轉(zhuǎn)換，分析了數(shù)據(jù)包的傳輸過程，但未涉及網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)實(shí)現(xiàn)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的端到端通信，但也沒有對網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述；文獻(xiàn)雖著重于網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計(jì)，但未對網(wǎng)關(guān)及整體系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。
而文獻(xiàn)只關(guān)注了網(wǎng)絡(luò)性能方面的測試。
文中提出一種采用網(wǎng)關(guān)接入方式實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的整體架構(gòu)，并對網(wǎng)關(guān)中的硬件與軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行論述，最后搭建測試網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
6LoWPAN網(wǎng)關(guān)接入方式實(shí)現(xiàn)6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為4個(gè)部分：6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)、6LoWPAN網(wǎng)關(guān)、6LoWPAN服務(wù)器以及IPv6用戶終端。所有無線設(shè)備采用Contiki OS作為操作系統(tǒng)。物理層和MAC層遵循IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，集成了6LoWPAN適配層和uIPv6協(xié)議棧，具備鄰居發(fā)現(xiàn)、自動組網(wǎng)等功能，能支持構(gòu)建功能完善的基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)可以將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過ContikiRPL路由匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換及將數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器將對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和存儲，而IPv6客戶端可以通過訪問服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的控制和管理。

2．1 硬件設(shè)計(jì)
網(wǎng)關(guān)硬件構(gòu)成如圖2所示。該智能無線網(wǎng)關(guān)基于OPENWRT系統(tǒng)，具備3個(gè)局域網(wǎng)口，1個(gè)廣域網(wǎng)口，1個(gè)802．11a／b／g WiFi無線網(wǎng)絡(luò)接口，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)USB口和1個(gè)可選的串口調(diào)試口。WAN口連接如IPv6或IPv4有線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有外界網(wǎng)絡(luò)等。USB口連接USBStick能支持IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，可以與WSN內(nèi)的任何節(jié)點(diǎn)通信。