6LoWPAN無線傳感網絡溫室監測系統的設計

干開峰等

摘要：6LoWPAN無線傳感網絡利用IPv6在IEEE802.15.4鏈路上的無縫連接，實現WSN和Internet主干網之間的點對點通信。以6LoWPAN無線傳感網絡在農業溫室大棚環境監測中的應用為例，構建6LoWPAN無線傳感網絡監測系統的總體方案，給出了6LoWPAN節點和6LoWPAN網關的軟硬件設計，并對該系統進行了測試。測試結果表明，6LoWPAN無線傳感網絡系統實現了WSN與外部IPv6網絡的直接互聯和數據交互，完成了對溫室大棚環境的實時監測，結果穩定高效。

關鍵詞：溫室監測；無線傳感器網絡；6LoWPAN；IPv6；IEEE802.15.4

中圖分類號： TP393；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2014）09-0371-03

收稿日期：2013-11-30

基金項目：安徽省高校省級自然科學研究項目（編號：KJ2012B151）；合肥學院科研發展基金（編號：13KY01ZR）。

作者簡介：干開峰（1974—），男，安徽和縣人，實驗師，研究方向為嵌入式系統，無線傳感網絡。Tel：（0551）62158573；E-mail：gankf@hfuu.edu.cn。無線傳感器網絡（WSN）作為一種新興的網絡，在近年來得到了迅速發展。其中，IEEE 802.15.4-2006標準于2006年9月份正式發布，是眾多WSN的基礎。WSN一般并不以孤立網絡的形式存在，而是通過一定的方式與互聯網相連，以便通過互聯網上的設備對其進行管理、控制和訪問[1]。IPv6巨大的地址空間可以為每個嵌入式監測設備分配1個全局唯一的IP地址，滿足特定應用環境下WSN節點的全球唯一標識的需求[2]。將IPv6引入WSN后，可以很方便地接入互聯網，省去了復雜的協議轉換，同時降低了應用成本，極大地擴展了WSN的應用[3]。IPv6和WSN的結合是目前國內外一個較為熱門的研究方向，2004年，IETF（the internet engineering task force）工作組提出了一種解決方案——6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN），實現了IPv6和IEEE802.15.4網絡的無縫連接[4]，并且正式成立了6LoWPAN工作組。隨著設施農業的發展，全國的大棚數量已經超過百萬公頃，但其中80%的大棚缺乏環境監測、監控手段及信息化管理手段[5]。將無線傳感器網絡應用于農業大棚環境監測系統中已經成為溫室監測領域研究的熱點。本研究設計基于6LoWPAN的無線傳感網絡系統，以農業溫室大棚環境監測為背景。

1系統總體設計

1.16LoWPAN概述

IEEE 802.15.4作為LoWPAN網絡標準，只定義了物理層（PHY層）和MAC層。PHY層包括射頻收發器和底層控制模塊；MAC層為上層訪問物理信道，提供點到點通信的服務接口[6]。IETF 6LoWPAN定義IPv6在IEEE 802.15.4鏈路上的通信，同時實現與其他IPv6設備之間的互操作。6LoWPAN的網絡協議棧如圖1所示。

6LoWPAN網絡底層采用IEEE802.15.4標準，網絡層采用IPv6協議。為了使IPv6能運行在IEEE 802.15.4標準之上，6LoWPAN在協議棧中引入了1個適配層，該層可以實現網絡拓撲管理、地址管理、分片和重組、頭部壓縮、組播支持等功能[7-8]。采用6LoWPAN體系結構構建的WSN，能夠實現設備以全IP方式進行互連。

1.2系統總體方案

基于6LoWPAN無線傳感器網絡的農業溫室大棚環境監測系統包括6LoWPAN無線傳感器網絡、6LoWPAN網關、Internet 主干網和遠程終端用戶等4個部分，詳見圖2。

2系統實現

2.16LoWPAN節點設計

6LoWPAN節點硬件結構主要由無線收發模塊、數據處理MCU模塊、傳感器和電源組成。

無線收發模塊選用TI公司推出的第二代IEEE 802.15.4 RF收發器CC2520射頻芯片。CC2520主要用于2.4GHz的ISM頻段，為各種應用提供了廣泛的硬件支持，包括數據包處理、數據緩沖、突發傳輸、數據加密、數據認證、空閑通道評估、鏈接質量指示以及數據包計時信息等，從而降低了主機控制器上的負載[9]。

數據處理MCU選用ATmega128L處理器，ATmega128L為8位低功耗、高性能的微處理器，具有片內128 kB 的FLASH、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM；同時具有UART、SPI、I2C等總線接口[10]。

在應用于溫室大棚環境監測，采集監測區域的溫度、濕度和光照強度等信息的過程中，基于性能和價格考慮，溫度傳感器選用DS18B20，濕度傳感器選用HS1101，光照強度傳感器

選用Po188。

6LoWPAN節點的硬件接口圖見圖3。

6LoWPAN節點接收來自遠程終端用戶的查詢命令，進行傳感器數據采集并發送的數據幀流程見圖4。

從無線接口接收的IEEE802.15.4數據幀格式見表1，IEEE802.15.4幀頭中的源地址為傳感器節點的16位短地址，這樣既提高了分片利用率，又加快了節點對數據包的處理速度。

2.26LoWPAN網關設計

6LoWPAN 網關的硬件結構主要由無線收發模塊、數據處理MCU模塊、有線傳輸網絡接口模塊和電源組成。

數據處理MCU模塊選用Samsung 推出的S3C2440A微處理器，S3C2440A是一種16/32位的RISC結構芯片，內核為ARM920T，采用MMU、AMBA、BUS和Harvard的高速緩存結構，具有獨立的8字長16 kB 指令緩存器和16 kB數據緩存本系統中由于6LoWPAN節點實現IP方式，6LoWPAN 網關不再負責協議轉換，其主要功能是連接WSN與互聯網，實現數據包的路由轉發[13]。網關內部存儲了一張地址映射表，用于傳感器節點的IPv6地址和16位短地址的雙向快速轉換。endprint

6LoWPAN 網關收發數據幀流程如圖6所示。

4結論

本研究基于無線傳感網絡技術的發展，以農業溫室大棚環境監測為背景，架構6LoWPAN無線傳感器網絡實時監控系統，對6LoWPAN節點和6LoWPAN的硬件部分和軟件部分的設計進行了詳細的闡述。通過測試，本系統很好地實現了WSN與IPv6網絡之間的直接互聯和數據交互，有利于對農業溫室大棚環境實時監測、預警以及科學指導。本系統可以在基于IPv6網絡的多種無線監測領域進行應用，具有很大的

研究前景和推廣價值。

參考文獻：

[1]霍宏偉，張宏科，郜帥，等. 一種IPv6無線傳感器網絡節點的設計與實現[J]. 計算機應用，2006，26（2）：303-306.

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[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.

[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.

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[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網絡[J]. 南京理工大學學報：自然科學版，2010，34（1）：56-60.

[9]阮越廣. 基于SimpliciTI的無線智能熱量表硬件設計[J]. 儀表技術與傳感器，2012（1）：34-35，62.

[10]胡強，張海輝，徐巧年. 基于短消息的無線傳感器監測系統設計[J]. 農機化研究，2010，32（2）：113-116，215.

[11]滿莎，楊恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式無線智能家居網關設計[J]. 計算機應用，2010，30（9）：2541-2544.

[12]施勇，溫陽東. 基于DM9000A的嵌入式以太網接口設計與實現[J]. 合肥工業大學學報：自然科學版，2011，34（4）：519-524.

[13]王曉喃，錢煥延，唐振民. 基于6LoWPAN的無線傳感器網絡路由協議[J]. 計算機應用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飛凰，高舸. 適宜馬鈴薯儲藏的環境參數智能調節系統[J]. 江蘇農業科學，2014，42（9）：374-376.endprint

6LoWPAN 網關收發數據幀流程如圖6所示。

4結論

本研究基于無線傳感網絡技術的發展，以農業溫室大棚環境監測為背景，架構6LoWPAN無線傳感器網絡實時監控系統，對6LoWPAN節點和6LoWPAN的硬件部分和軟件部分的設計進行了詳細的闡述。通過測試，本系統很好地實現了WSN與IPv6網絡之間的直接互聯和數據交互，有利于對農業溫室大棚環境實時監測、預警以及科學指導。本系統可以在基于IPv6網絡的多種無線監測領域進行應用，具有很大的

研究前景和推廣價值。

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6LoWPAN 網關收發數據幀流程如圖6所示。

4結論

本研究基于無線傳感網絡技術的發展，以農業溫室大棚環境監測為背景，架構6LoWPAN無線傳感器網絡實時監控系統，對6LoWPAN節點和6LoWPAN的硬件部分和軟件部分的設計進行了詳細的闡述。通過測試，本系統很好地實現了WSN與IPv6網絡之間的直接互聯和數據交互，有利于對農業溫室大棚環境實時監測、預警以及科學指導。本系統可以在基于IPv6網絡的多種無線監測領域進行應用，具有很大的

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