基于IPv6的無線傳感網絡設計

李亞明　劉陳　王辰　劉奇　劉德明

摘 要：無線傳感網絡接入互聯網需要海量地址，將IPv6技術用于無線傳感網絡可解決地址資源不足的問題。論文采用具有6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）協議棧的Contiki嵌入式操作系統進行傳感節點設計；開發了支持6LoWPAN協議棧的IPV4/IPV6雙棧邊緣路由器，完成傳感節點數據向以太網的轉發；在教育網IPv6環境下搭建了基于IPv6的無線傳感網絡系統，并進行了測試。測試結果表明，所設計無線傳感器、邊緣路由器均支持基于6LoWPAN通信協議，通過瀏覽器可遠程訪問IPv6傳感節點并能通過管理服務器獲取實時采樣數據。

關鍵詞：IPv6 ；6LoWPAN ；無線傳感網絡；Contiki；遠程訪問；實時

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

傳感網絡技術作為物聯網的核心技術之一，一直是國內外研究熱點，其中無線傳感網絡部署簡單、維護方便，成本低，相對有線傳輸更具有靈活性，在環境監測、農業管理、醫療、及工業監控等多方面具有廣泛應用前景。

目前大多數無線傳感網絡都不是基于IP的網絡架構，要想使傳感節點接入IP網絡，必須要專門設計一個支持其他私有協議的轉換網關，由于網關固有的復雜性，協議轉換過程中很可能會破壞雙方的網絡模型，在大規模網絡部署后的網絡管理與故障檢查方面會有很多不足。端到端IP網絡架構網絡層采用IP技術，具有很好的互通性與穩定性，應用層可以支持多樣性的需求，相對傳統網關具有很多優勢，支持端到端IP架構的傳感網絡是未來迎接大規模可控傳感網絡的潛在發展方向。

但以IP做基礎的無線傳感網絡規模化應用面臨兩個問題：IPv4地址枯竭與傳感節點成本限制。要無限地延伸網絡邊界，實現全網絡融合與通信，開展全網絡協同服務，必須要使全網系統中最基礎層的被標記物具有網絡IP地址；傳統IPv4地址資源即將枯竭，而IPv6協議具有充足的地址空間，可為需要海量地址的物聯網服務[1，2]。另一方面，無線傳感網絡節點要求體積小且成本低，并且多部署在不易取電的位置，這就要求傳感節點內存資源有限，且工作低功耗[3]。

為此，結合低功耗802.15.4數據鏈路層和物理層協議及IPv6網絡層協議的6LoWPAN （IPv6 over Low Power wireless Area Network）協議棧被提出，通過6LoWPAN適配層對IPv6數據包進行分片和重組，完成IPv6網絡層與802.15.4物理層的融合[4-6]。Contiki是專為內存受限的硬件平臺開發的操作系統，該系統開源且集成了6LoWPAN協議棧 [7]。

論文將采用具有6LoWPAN協議棧的Contiki嵌入式操作系統進行傳感節點設計；研制支持6LoWPAN協議棧的IPV4/IPV6雙棧邊緣路由器，完成傳感節點數據向以太網的轉發；在教育網IPv6環境下搭建基于IPv6的無線傳感網絡系統進行測試。

1 IPv6傳感網絡總體設計

在教育網IPv6環境下構建如圖1所示的無線傳感網絡。

無線傳感網絡由IPv6傳感節點、IPv6路由、管理服務器所構成。本設計中，無線傳感節點采集環境的溫度、濕度與光照度信息。

圖1 IPv6無線傳感網絡架構

基于6LoWPAN傳感節點與IPv6主機間的3層路由過程如圖2所示。傳感器感知環境溫、濕度以及光照等信息，將數據傳給節點的主芯片，在主芯片內完成對數據包的處理，經過6LoWPAN適配層的頭壓縮，將數據以802.15.4數據包格式發送出去，6LoWPAN無線網卡上射頻芯片接收數據包，在網卡主芯片完成6LoWPAN適配層重組，再經過通用串行總線接口將數據轉發到路由器，通過路由器以802.3協議規定轉發到IPv6以太網絡中。整個過程經過IPv6傳感網關完成IPv6分組的壓縮和解壓縮，執行6LoWPAN短地址與IPv6地址的映射，實現了傳感網絡與IP網絡的融合。

圖2 傳感網絡結構分層示意圖

下面將分別對IPv6傳感節點和IPv6傳感網關進行說明。

2 IPv6傳感節點設計

傳感節點功能示意圖見圖3，主要分為主控及通信控制模塊、數據采集模塊、RF通信模塊及射頻天線單元等幾部分。

主控模塊采用Atmel 1284P作為主芯片，采用支持6LoWPAN協議棧的Contiki作為操作系統。通過Contiki為傳感節點分配IPv6地址。傳感器選擇SHT11溫、濕度傳感器以及光敏電阻。節點射頻部分采用Atmel的AT86RF231，通過同步串行與主芯片通信。節點天線電路采用兩個SMA轉接頭外置，利用Johanson公司的2450BM15A0002平衡濾波器芯片實現射頻通信芯片輸出差分信號轉變為單端信號。

圖3 IPv6傳感節點功能示意圖

3 支持IPv4/IPv6雙棧的傳感網絡網關設計

傳感網絡網關由兩部分構成，一部分是IPv6無線網卡，另一部分是基于OpenWRT的IPv6邊緣路由器。

IPv6無線網卡在IPv6邊緣路由器與傳感節點間起橋接作用，它同樣采用Contiki作為操作系統，內置6LoWPAN協議棧，通過6LoWPAN適配層對IPv6報文分片與重組。

IPv6無線網卡的功能示意圖如圖4。主要分為主控模塊，射頻通信模塊和射頻天線三部分。主控模塊芯片采用Atmel公司的AT90USB1287，射頻模塊芯片同樣采用Atmel的AT86RF231，天線采用Antenova公司的小尺寸2.4 GHz貼片天線A5839。

圖4 IPv6無線網卡功能示意圖

IPv6無線網卡與傳感節點均采用Contiki作為操作系統，通過一系列進程完成數據的收發。

IPv6邊緣路由器利用市面上已有的基于OpenWRT的IPv4路由器進行開發。首先，基于OpenWRT的編程將IPv4路由器升級，使其同時支持IPv4/IPv6雙棧，完成6LoWPAN IPv6傳感網絡的數據轉發；其次，開發基于USB的IPv6網卡驅動，可以識別傳感網絡的數據包，并通過路由器Linux內核轉發數據包，實現傳感網絡與互聯網的互通。

圖5為邊緣路由器驅動實現示意圖。整個驅動分兩個部分，一個是USB驅動，實現USB控制器對插入無線網卡的識別，進行數據傳輸；另一個是對網絡的驅動，即實現對6LoWPAN協議棧的支持和IPv6數據包的轉發。通過對Linux內核的系統資源配置，實現上述功能。

圖5 邊緣路由器驅動實現示意圖

4 性能測試

依托CERNET2華中地區主干網華中科技大學子網，在下一代互聯網國家工程實驗室按照圖1搭建IPv6聯網系統。通過Contiki對節點與網卡分配IPv6地址，6LoWPAN無線網卡地址：2001：250：4000：4407：：1；傳感節點地址2001：250：4000：4407：：1d。地址分配如圖6所示。

圖6 IPv6聯網地址分配示意圖

通過天津教育網對IPv6無線網卡進行網絡連通性測試， ping網卡地址結果如圖7所示，在遠端能得到網卡的回復報文，網絡線路連通正常。

圖7 IPv6無線網卡連通性測試結果

測試IPv6傳感節點的網絡連通性，天津教育網Ping節點地址如圖8所示，同樣可以看到，節點收到發來的數據包并且回復響應的報文，從客戶遠端到節點網絡是正常連通的。

圖8 6LoWPAN傳感節點連通性測試結果

客戶終端在管理服務器通過傳感節點的編號即傳感節點IPv6地址查找特定傳感節點，可以遠程配置傳感節點的采樣時間與采樣間隔，實時查看傳感節點采集環境信息如圖9所示。

圖9 通過管理服務器遠程查看傳感節點數據

5 結 語

本文將IPv6技術應用于無線傳感網絡，采用具有6LoWPAN協議棧的Contiki嵌入式操作系統開發IPv6傳感節點和IPv6無線網卡，研制了支持6LoWPAN協議棧的IPv4/IPv6雙棧邊緣路由器。在教育網IPv6環境下的測試表明：傳感節點及邊緣路由器均支持基于6LoWPAN通信協議，在開發的物聯網管理平臺上可實現對IPv6傳感節點的遠程管理與控制。

參考文獻

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