6LoWPAN技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

付 蔚，王炳鵬

（重慶郵電大學(xué) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065）

在物聯(lián)網(wǎng)世界的今天，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，涉及了各行各業(yè)。6LoWPAN技術(shù)是一項(xiàng)新型的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式節(jié)點(diǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)分發(fā)等功能，同時(shí)與目前無(wú)線(xiàn)傳感模塊相比，它可謂是正真意義上實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)模塊的IP化，嵌入式設(shè)備IP化意味著嵌入式節(jié)點(diǎn)設(shè)備與目前互聯(lián)網(wǎng)世界的融合，這項(xiàng)技術(shù)的引入極大地推進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。智能家居作為物聯(lián)網(wǎng)世界發(fā)展的一部分，利用6LoWPAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭與網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，使用戶(hù)在未來(lái)的生活中，能夠更舒適、更方便、更安全地享受生活。

1 6LoWPAN技術(shù)研究

6LoWPAN也是無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)中的一員，它的提出是在2004年的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)中，其低功率的特性使得它能夠移植到各種手持器和儀器設(shè)備中。由于目前互聯(lián)網(wǎng)中的IP地址已經(jīng)快要耗盡，而物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)使得需要更多的地址空間，因此IPv6應(yīng)運(yùn)而生，由于IPv6協(xié)議棧過(guò)于龐大，數(shù)據(jù)分發(fā)包的量也非常大，因而無(wú)法移植進(jìn)入無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)下的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，而6LoWPAN技術(shù)是發(fā)明一種將IP包頭壓縮到只傳送必要內(nèi)容的小數(shù)據(jù)包中的方法。目前無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)組網(wǎng)方式可以分為鏈形、星形、樹(shù)形、環(huán)形和網(wǎng)孔形[1-2]。在Contiki平臺(tái)下的6LoWPAN技術(shù)目前支持星形組網(wǎng)和網(wǎng)狀組網(wǎng)。如圖1所示為6LoWPAN下的網(wǎng)狀組網(wǎng)模式。

其中上述Node Device表示子節(jié)點(diǎn)設(shè)備，Router表示路由器，Border-Router表示邊界路由器，Communication Flow表示數(shù)據(jù)流。

圖16LoWPAN組網(wǎng)模式Fig.1 6LoWPAN networking mode

2 基于6LoWPAN的智能家居系統(tǒng)架構(gòu)

目前智能家居無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)采用6LoWPAN協(xié)議作為整個(gè)系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，6LoWPAN協(xié)議有著低功耗、高傳輸速率、低成本等特點(diǎn)，并且6LoWPAN協(xié)議能夠融入目前的IPv6網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，從未來(lái)傳感網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì)上來(lái)看，6LoWPAN必將占有一席之地。在6LoWPAN無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)下的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)系統(tǒng)主要分為3個(gè)大的部分：子節(jié)點(diǎn)、路由設(shè)備和邊界路由器設(shè)備[3-4]。上述3者框架如圖2所示。

圖2 基于6LoWPAN的智能家居系統(tǒng)框架Fig.2 Frame of the Smart home system based on 6LoWPAN

3 家庭通信節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)

主控電路核心是采用CC2530模塊，CC2530采用德州儀器生產(chǎn)技術(shù)，是一款基于2.4 GHz的片上系統(tǒng)解決方案，易于建立基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議上的多種協(xié)議。內(nèi)嵌一款工業(yè)級(jí)的8051核心芯片，并且增加高效的射頻芯片，專(zhuān)門(mén)用于無(wú)線(xiàn)模式下的通信[5]。節(jié)點(diǎn)選用鋰電池進(jìn)行供電，Max1555芯片是專(zhuān)門(mén)為鋰電池充電的一款芯片。鋰電池供電是3.7 V，而CC2530模塊供電采用3.3 V，并且可能在鋰電池充電或放電時(shí)造成電壓不穩(wěn)，因此不能直接用鋰電池進(jìn)行整個(gè)電路的供電，需要接入一款穩(wěn)壓芯片。這里采用Max8881芯片作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，可將電壓輸出調(diào)節(jié)到一般常用的電壓信號(hào)1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V[6]。為了穩(wěn)定電流輸出，防止信號(hào)波動(dòng)導(dǎo)致接收或發(fā)送數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯(cuò)誤，增加通信的傳輸距離，設(shè)計(jì)了外圍天線(xiàn)電路。通信節(jié)點(diǎn)電路如圖3所示。

圖3 家庭通信節(jié)點(diǎn)電路Fig.3 Circuit diagram of family communication node

4 家庭通信節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

在無(wú)線(xiàn)通信模塊程序設(shè)計(jì)中，主要是完成智能家居中的各個(gè)家電設(shè)備模塊的數(shù)據(jù)與網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)交換過(guò)程，整個(gè)系統(tǒng)包含了客戶(hù)端和服務(wù)端。類(lèi)似于以太網(wǎng)socket通信中的UDP協(xié)議，系統(tǒng)中通信架構(gòu)模式需要一個(gè)服務(wù)端和一個(gè)客戶(hù)端構(gòu)建，構(gòu)建方式為l_conn和g_conn兩種方式，l_conn建立連接時(shí)需要經(jīng)過(guò)路由才能夠通信，g_conn建立連接無(wú)需路由即可實(shí)現(xiàn)通信。如圖4所示，給出了整個(gè)通信的架構(gòu)，首先服務(wù)器端和客戶(hù)端的Contiki平臺(tái)需要進(jìn)行內(nèi)部的資源初始化，rime底層協(xié)議棧初始化，串口初始化，并進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)初始化，然后建立節(jié)點(diǎn)的服務(wù)端，并進(jìn)行串口和網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)聽(tīng)，構(gòu)建起服務(wù)端和子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的橋梁，服務(wù)端同時(shí)也進(jìn)行串口和網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)聽(tīng)，構(gòu)建起子節(jié)點(diǎn)模塊和網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信橋梁，從而使得整個(gè)智能家居系統(tǒng)可以形成一套完整的網(wǎng)絡(luò)體系，上層的終端設(shè)備可以很容易獲取下層設(shè)備的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)對(duì)下層設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)控制，達(dá)到智能化家庭的效果。

5 系統(tǒng)仿真與測(cè)試

5.1 系統(tǒng)仿真

在Cooja仿真平臺(tái)下打開(kāi)已經(jīng)編譯好的sky-ipv6-rpl-collect.csc仿真文件，對(duì)Simulation control執(zhí)行全速運(yùn)行，可以看到下面所有節(jié)點(diǎn)已經(jīng)被分配好相應(yīng)的IP地址，并且節(jié)點(diǎn)開(kāi)始不斷向周?chē)噜徆?jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，呈現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的發(fā)送模式，且觀察3號(hào)通信節(jié)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)3號(hào)通信節(jié)點(diǎn)通信的范圍為綠色范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，超出綠色范圍的節(jié)點(diǎn)是接收不到3號(hào)通信節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的。如圖5為整個(gè)通信的全過(guò)程。

圖4 無(wú)線(xiàn)通信軟件設(shè)計(jì)總體流程Fig.4 Overall flow chart of wireless communication software design

圖5 通信過(guò)程演示Fig.5 Communication process demonstration chart

5.2 系統(tǒng)測(cè)試

5.2.1 高低溫測(cè)試

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.1-2001《電工電子產(chǎn)品的基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范》[7]。需要對(duì)無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備進(jìn)行高低溫測(cè)試。在無(wú)線(xiàn)通信節(jié)點(diǎn)的高低溫測(cè)試中，由于在程序中設(shè)定1 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)，故采用1 h定時(shí)抓包的方法來(lái)測(cè)試設(shè)備的工作情況，同時(shí)觀察設(shè)備外觀是否有損壞。為了降低測(cè)試箱以及通信距離對(duì)丟包率的影響，將測(cè)試距離設(shè)定在5 m以?xún)?nèi)。如表1所示的測(cè)試結(jié)果，可以得出設(shè)備在高溫50℃時(shí)，處于臨界工作狀態(tài)，外殼已經(jīng)有少許破損，在60℃已經(jīng)不能正常工作；在低溫-10℃時(shí)，設(shè)備的丟包率出現(xiàn)明顯的提升。所以通信節(jié)點(diǎn)設(shè)備的正常工作溫度范圍為-10℃～50℃，符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2423.1-2001《電工電子產(chǎn)品的基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范》條款6所規(guī)定的戶(hù)內(nèi)用儀表工作溫度范圍-5℃～45℃的要求[8]。

表1 高低溫測(cè)試丟包率對(duì)比Tab.1 Comparison of packet loss rate in high and low temperature test

5.2.2 功耗測(cè)試

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用電池供電的方式進(jìn)行供電，在實(shí)際應(yīng)用中，無(wú)線(xiàn)通信模塊的功耗顯得十分的重要，就目前發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，降低這類(lèi)設(shè)備功耗仍然存在著很很大的問(wèn)題，這也是目前急需解決的難點(diǎn)問(wèn)題之一。如表2所示即可了解無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備的功耗消耗情況。鋰電池容量為1100 mAh，經(jīng)計(jì)算，在電池充滿(mǎn)電的情況下工作時(shí)間大概在35～48 h之間。

表2 功耗測(cè)試對(duì)比Tab.2 Power consumption test

5.2.3 通信距離測(cè)試

在家庭環(huán)境中，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的傳輸距離是一個(gè)重要的指標(biāo)，通過(guò)不同的傳輸距離測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的丟包率，可以得出網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。在智能家居環(huán)境中，分別測(cè)試室溫下 50 m，70 m，100 m，130 m，150 m 的通信距離下的丟包率，測(cè)試記錄如表3所示。測(cè)試結(jié)果表明70m以?xún)?nèi)的通信不存在丟包情況，通信延遲也能滿(mǎn)足通訊要求。100 m以外存在明顯的丟包情況，但在家庭環(huán)境中這些情況已經(jīng)可以忽略考慮了。

表3 通信距離丟包率測(cè)試對(duì)比Tab.3 Comparison of packet loss rate in communication distance test

5.2.4 射頻穿透性測(cè)試

在某些特殊情況下，在家庭內(nèi)部使用6LoWPAN傳感網(wǎng)系統(tǒng)可能需要穿過(guò)墻或者門(mén)，在此情況下需要對(duì)通訊系統(tǒng)進(jìn)行穿透性測(cè)試。如表4所示為節(jié)點(diǎn)與路由穿墻性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果可以得出，1到2道墻之間的穿透性非常好，幾乎可以達(dá)到不丟幀的情況，但是在3道墻穿墻性能測(cè)試中發(fā)現(xiàn)丟包率大大增加，在某些家庭環(huán)境內(nèi)，如果存在3道墻，則需要加入一道路由進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)以確保數(shù)據(jù)的完整性。

表4 穿透性測(cè)試Tab.4 RF penetration test

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行與測(cè)試，該基于6LoWPAN的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)功能基本穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足家庭的一體化需求。從物聯(lián)網(wǎng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展角度來(lái)說(shuō)，設(shè)備和系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的改進(jìn)，不斷完善和優(yōu)化相關(guān)的軟件。

[1]宗學(xué)軍，宋國(guó)庫(kù)，陳斌，等.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化與儀表，2011，26（4）：23-26.

[2]閆海英，黃波，王曉喃.基于6LoWPAN無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的電梯監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2013（9）：62-63.

[3]張恒升.IPv6與IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2010（5）：13-15.

[4]陳小紅.6LoWPAN協(xié)議棧一致性測(cè)試系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：華東師范大學(xué)，2006.

[5]Chipcon.CC2430 A True System on Chipsolution for 2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee[EB/OL].（2007-06-06）[2010-08-01].http：//www.chipcon.com.

[6]Chipcon.Max8881.Maxim Integrated Product[EB/OL].www.maximic.com.

[7]Protothreads.Lightweight，Stackless Threads in C[EB/OL].http：//www.sics.se/～adam/pt/.

[8]GB/T 2423.1-2001電工電子產(chǎn)品的基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2001.