關(guān)于ZigBee與6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫融合的研究

王國(guó)雋

摘 要：ZigBee網(wǎng)絡(luò)由于其簡(jiǎn)單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在各種工商業(yè)場(chǎng)所，是一種較為成熟的低速率短途無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)；6LoWPAN作為一種支持IPv6協(xié)議的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)各類(lèi)手持設(shè)備到接入網(wǎng)絡(luò)的過(guò)程中，其數(shù)據(jù)加密級(jí)別以及與各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用軟件的兼容性是其他工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信機(jī)制所無(wú)法比擬的。文章針對(duì)這兩種差別較大的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間自由通信問(wèn)題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了兩種協(xié)議間的轉(zhuǎn)換模型，實(shí)現(xiàn)了兩種異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。

關(guān)鍵詞：ZigBee；6LoWPAN；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

1 概述

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，而作為物聯(lián)網(wǎng)的核心組件，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)感知層協(xié)議中起到了至關(guān)重要的作用。由于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的針對(duì)性較強(qiáng)，因此目前已發(fā)展出多種協(xié)議，如ZigBee、6LoWPAN、RFID等，隨著物聯(lián)網(wǎng)覆蓋范圍的不斷增加，解決這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信問(wèn)題已是迫在眉睫。

ZigBee及其他同類(lèi)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)都是以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ)的，都屬于面向低功耗、低速率的短距離無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、靈活、自適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。由IEEE802.15.4協(xié)議規(guī)定了物理層和MAC層的接入機(jī)制，而以上各層則各具特點(diǎn)，衍生出不同的通信解決方案，而ZigBee無(wú)疑是其中使用率最高的一種；另一方面，從網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)要解決的最重要的問(wèn)題就是如何更便捷的接入到因特網(wǎng)中，而這正是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)特有的優(yōu)勢(shì)，其網(wǎng)絡(luò)層采用的IPv6協(xié)議使得用戶(hù)可以輕松的接入到互聯(lián)網(wǎng)中，極大地?cái)U(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)容量。

文章研究了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)WSNs網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫融合有積極意義。

2 異構(gòu)傳感網(wǎng)通信系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2.1 協(xié)議模型

圖1給出了兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互通的協(xié)議模型，ARM處理器居中，通過(guò)兩個(gè)接入模塊與兩種網(wǎng)絡(luò)相連。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至己端接入模塊并進(jìn)行解析，通過(guò)SLIP協(xié)議發(fā)給ARM處理器，由其轉(zhuǎn)換成IPv6報(bào)文，再通過(guò)SLIP協(xié)議發(fā)送至彼端接入模塊，最后傳輸至6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)中的某節(jié)點(diǎn)。

2.2 網(wǎng)關(guān)功能

如圖1所示，網(wǎng)關(guān)在兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中間起到了銜接、解析和轉(zhuǎn)換等功能，主要有：

（1）基本協(xié)議解析功能，包括ZigBee協(xié)議、6LoWPAN協(xié)議以及IPv6協(xié)議。（2）服務(wù)查詢(xún)功能，主要通過(guò)在網(wǎng)關(guān)建立起一個(gè)存儲(chǔ)傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)EUI-64地址與所提供服務(wù)的服務(wù)表實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送服務(wù)查詢(xún)請(qǐng)求命令，網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)返回服務(wù)查詢(xún)響應(yīng)。（3）協(xié)議轉(zhuǎn)換功能。EUI-64地址要轉(zhuǎn)換成IPv6地址，ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成IPv6數(shù)據(jù)包。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

3.1 應(yīng)用層通信協(xié)議設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)與6LoWPAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候要把自身的EUI-64地址、查詢(xún)得到的6LoWPAN的EUI-64地址以及真正要發(fā)送的數(shù)據(jù)打包放在應(yīng)用層負(fù)載中，因此，應(yīng)用層數(shù)據(jù)通信協(xié)議就需要包含這些必要信息數(shù)據(jù)。

3.2 SLIP封裝與解封裝

兩種網(wǎng)絡(luò)接入模塊通過(guò)串口與ARM處理器相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并采用SLIP協(xié)議封裝，將原報(bào)文中的字符0xC0替換為0XDB、0xDC，將字符0xDB替換為0xDB、0xDD，解封則做逆操作，在接收數(shù)據(jù)時(shí)可以通過(guò)SLIP的標(biāo)志位判斷數(shù)據(jù)是否完整，從而決定接受或丟棄數(shù)據(jù)報(bào)文。

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交互流程

節(jié)點(diǎn)交互過(guò)程主要分為三個(gè)階段：網(wǎng)關(guān)初始化階段、服務(wù)查詢(xún)階段以及數(shù)據(jù)傳輸階段。圖2給出了ZigBee節(jié)點(diǎn)（A）、異構(gòu)WSNs網(wǎng)關(guān)（B）、6LoWPAN節(jié)點(diǎn)（C）之間的交互流程，縱向?yàn)闀r(shí)間軸。如圖所示，首先由網(wǎng)關(guān)初始化生成服務(wù)表，然后由ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)起服務(wù)查詢(xún)請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)如接受該請(qǐng)求則返回服務(wù)查詢(xún)響應(yīng)，ZigBee節(jié)點(diǎn)在響應(yīng)中得到目的地址后，將其封裝進(jìn)數(shù)據(jù)報(bào)中進(jìn)行發(fā)送，網(wǎng)關(guān)收到該報(bào)文，解析其中的目的地址，隨后進(jìn)行前文所述的協(xié)議轉(zhuǎn)換、封裝及轉(zhuǎn)發(fā)，具體步驟如下：

（1）網(wǎng)關(guān)初始化。該步驟包括兩個(gè)環(huán)節(jié)，即網(wǎng)絡(luò)初始化和服務(wù)注冊(cè)。首先網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)后，分別處于兩端的兩種節(jié)點(diǎn)群開(kāi)始工作，組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，這就是網(wǎng)絡(luò)初始化環(huán)節(jié)；在兩種網(wǎng)絡(luò)都已建立完成之后，各節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)上傳自己的EUI-64地址和該節(jié)點(diǎn)所實(shí)現(xiàn)的功能，即可以提供何種服務(wù)，完成服務(wù)注冊(cè)環(huán)節(jié)。

（2）服務(wù)查詢(xún)。節(jié)點(diǎn)A向網(wǎng)關(guān)B發(fā)起服務(wù)查詢(xún)請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)收到請(qǐng)求后，先驗(yàn)證其身份，待確定身份合法后，在其服務(wù)表中查詢(xún)6LoWPAN節(jié)點(diǎn)注冊(cè)的服務(wù)項(xiàng)目，確定其所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)C，然后把節(jié)點(diǎn)C的EUI-64地址回復(fù)給節(jié)點(diǎn)A，節(jié)點(diǎn)A收到此地址后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)報(bào)首部的封裝了。

（3）數(shù)據(jù)傳輸。待完成了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)備工作之后，節(jié)點(diǎn)A開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝及傳輸，將兩類(lèi)地址及數(shù)據(jù)打包發(fā)給網(wǎng)關(guān)，在網(wǎng)關(guān)處進(jìn)行如下處理：ARM處理器接收到數(shù)據(jù)包后依次取出兩類(lèi)地址以及數(shù)據(jù)，再調(diào)用UDP/IPv6封裝程序封裝成一個(gè)IPv6數(shù)據(jù)包。然后通過(guò)串口發(fā)到6LoWPAN邊界路由器的網(wǎng)絡(luò)層，再往下傳送到適配層進(jìn)行分片、壓縮等處理，傳給MAC層及物理層，通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送到目的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)，至此完成了數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^(guò)程。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章對(duì)ZigBee和6LoWPAN這兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的交互通信問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了基于ARM網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模型和具體的實(shí)現(xiàn)方案，并對(duì)該方案中使用的各種關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述和分析，相信隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各種異構(gòu)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的無(wú)縫融合程度將會(huì)不斷加深，最終使互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用擴(kuò)展到物理世界的任意角落。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣挺，趙成林.紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[2]戚劍超.基于IPv6的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2009.