基于6LOWPAN傳感器網(wǎng)關(guān)設計

摘要 在研究6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以及IPv6網(wǎng)絡(luò )的基礎上，提出一種基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)關(guān)解決方案，實(shí)現6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6網(wǎng)絡(luò )之間互聯(lián)，并對網(wǎng)關(guān)中的硬件與軟件設計進(jìn)行論述。最后搭建測試網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)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(jiǎn)要分析。測試結果表明，該網(wǎng)關(guān)實(shí)現了6LoWPAN無(wú)線(xiàn)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)境中運行。
關(guān)鍵詞 6LoWPAN；網(wǎng)關(guān)；IPv6；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )：Contiki

目前IEEE 802．15．4已成為針對低功耗、低數據速率、低可靠性的通用標準。如ZigBee、WirelessHART等在物理層和MAC層均采用IEEE 802．15．4標準，但在網(wǎng)絡(luò )層它們采用各自定義的協(xié)議，不能實(shí)現網(wǎng)絡(luò )層的互聯(lián)。且無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )一般采用自定義的通信地址，地址數量有限，僅在單個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )內有效。而IPv6具有充足的地址空間，IPv6所具有的特性較好地滿(mǎn)足物聯(lián)網(wǎng)應用需求，是物聯(lián)網(wǎng)大規模發(fā)展的基礎性保證。因此，物聯(lián)網(wǎng)采用IPv6協(xié)議實(shí)現其廣泛互聯(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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫連接。
文中對基于6LoWPAN的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )以及IPv6網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行了研究，主要目標在于設計和實(shí)現一種基于6LoWPAN的傳感器網(wǎng)關(guān)。實(shí)現6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )之間互聯(lián)，建立一種能普遍應用的系統平臺架構，并在軟硬件上進(jìn)行實(shí)現和應用。

1 研究概況
將IPv6技術(shù)引入無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )可便于實(shí)現與IPv6有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設備端對端的通信，提高了轉發(fā)效率，增強了安全性。文獻中提出了IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構，旨在實(shí)現IPv6技術(shù)與無(wú)線(xiàn)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)現無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與現有網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)。
對于傳感器網(wǎng)關(guān)架構的研究，有3種不同的設計思想。一是文獻設計的網(wǎng)關(guān)，客戶(hù)端通過(guò)采用Web技術(shù)獲取無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的數據信息。這類(lèi)解決方案的缺點(diǎn)是使用專(zhuān)有的協(xié)議連接傳感器節點(diǎn)，相當于在無(wú)線(xiàn)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)現客戶(hù)端與傳感器節點(diǎn)直接通信；二是文獻設計的網(wǎng)關(guān)，是基于具體應用而設計的，描述了在該應用場(chǎng)景下網(wǎng)關(guān)的信息交互，并未涉及網(wǎng)關(guān)的軟硬件設計；三是文獻設計的基于6LoWPAN的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)關(guān)架構。文獻提出了基于6LoWPAN的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)關(guān)架構，實(shí)現6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )短地址與IPv6地址之間直接轉換，分析了數據包的傳輸過(guò)程，但未涉及網(wǎng)關(guān)的軟硬件設計；文獻實(shí)現IPv6無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的端到端通信，但也沒(méi)有對網(wǎng)關(guān)的軟硬件設計進(jìn)行論述；文獻雖著(zhù)重于網(wǎng)關(guān)的軟硬件設計，但未對網(wǎng)關(guān)及整體系統的性能進(jìn)行分析。
而文獻只關(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6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的整體架構，并對網(wǎng)關(guān)中的硬件與軟件設計進(jìn)行論述，最后搭建測試網(wǎng)絡(luò )對系統的性能進(jìn)行分析。

2 網(wǎng)關(guān)設計
6LoWPAN網(wǎng)關(guān)接入方式實(shí)現6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )與IPv6網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)的系統架構如圖1所示。系統分為4個(gè)部分：6LoWPAN傳感器節點(diǎn)、6LoWPAN網(wǎng)關(guān)、6LoWPAN服務(wù)器以及IPv6用戶(hù)終端。所有無(wú)線(xiàn)設備采用Contiki OS作為操作系統。物理層和MAC層遵循IEEE 802．15．4標準，集成了6LoWPAN適配層和uIPv6協(xié)議棧，具備鄰居發(fā)現、自動(dòng)組網(wǎng)等功能，能支持構建功能完善的基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)可以將采集的監測數據通過(guò)ContikiRPL路由匯聚到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉換及將數據的轉發(fā)到服務(wù)器，服務(wù)器將對數據進(jìn)行分析、處理和存儲，而IPv6客戶(hù)端可以通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行有效的控制和管理。

2．1 硬件設計
網(wǎng)關(guān)硬件構成如圖2所示。該智能無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)基于OPENWRT系統，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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口，1個(gè)標準USB口和1個(gè)可選的串口調試口。WAN口連接如IPv6或IPv4有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )現有外界網(wǎng)絡(luò )等。USB口連接USBStick能支持IEEE 802．15．4標準，可以與WSN內的任何節點(diǎn)通信。