基于OMNet++的6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

摘 要：隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）和物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）技術(shù)的日益發(fā)展及IPv6網(wǎng)絡(luò)的普及，IPv6物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將成為未來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。本文以云南師范大學(xué)智慧校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建為研究背景，開發(fā)并實(shí)現(xiàn)基于OMNet++的6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)仿真系統(tǒng)，給出了具體的物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建方案，希望對(duì)6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展有所幫助。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智慧校園；6LoWPAN

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.122

1 概述

基于IEEE802.15.4的物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比，網(wǎng)絡(luò)中存在的節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大、密度更高，且網(wǎng)絡(luò)中感知節(jié)點(diǎn)自身硬件通信、計(jì)算、電源等能力較差，而IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)并不直接支持IPv6協(xié)議棧，基于IEEE802.15.4物聯(lián)網(wǎng)的這些特性導(dǎo)致IPv6直接構(gòu)建于IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)上面臨著許多問題。IPv6 over IEEE802.15.4工作組為了解決IPv6在IEEE802.15.4物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用所面臨的問題提出了6LoWPAN協(xié)議，實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4物聯(lián)網(wǎng)底層使用IPv6協(xié)議與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的無縫接入。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于6LoWPAN的校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，主要采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，完成6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)感知節(jié)點(diǎn)間與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備之間的UDP數(shù)據(jù)包通信。

2 6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)總體構(gòu)架設(shè)計(jì)

6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示，三層架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、和應(yīng)用層[1]。

2.1 感知層

感知層是物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)中的核心層，主要功能是解決感知對(duì)象信息數(shù)據(jù)的采集問題，感知功能主要由各種傳感器和傳感網(wǎng)構(gòu)成。感知對(duì)象包括教師、學(xué)生、教學(xué)樓、體育館等環(huán)境資源，此外還包括空調(diào)、車輛、路燈等各類設(shè)備等物質(zhì)資源。感知層的感應(yīng)設(shè)備包括6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)、6LoWPAN感知節(jié)點(diǎn)設(shè)備、RFID、多媒體設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN、GPS定位等。該層的關(guān)鍵技術(shù)技術(shù)有：自組織網(wǎng)技術(shù)、射頻技術(shù)、遠(yuǎn)和近距離傳輸技術(shù)、協(xié)同信息處理技術(shù)、信息采集中間件技術(shù)等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層也稱傳輸層，主要功能是將感知層采集到的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸，不需要對(duì)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)和傳輸網(wǎng)。接入網(wǎng)主要解決底層傳感器網(wǎng)絡(luò)的最后一公里接入問題，接入網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，主要包括：無線接入、有線接入、以太網(wǎng)接入等。傳輸網(wǎng)主要包括：電信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)等。

2.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層為采集與管理平臺(tái)層，主要完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)層傳遞來的信息進(jìn)行加工處理的功能。應(yīng)用層基于實(shí)際應(yīng)用需求開發(fā)的應(yīng)用程序和管理軟件，通過對(duì)感知層節(jié)點(diǎn)采集到的信息進(jìn)行分析和匯總，并作出相應(yīng)的策略實(shí)施以達(dá)到校園物聯(lián)網(wǎng)的管理和控制，典型的應(yīng)用有：智慧教室、智能停車場(chǎng)、只能體育館、智能圖書館等。應(yīng)用層中的公共中間件、信息開放平臺(tái)、云計(jì)算平臺(tái)、服務(wù)支撐平臺(tái)等組成處理層，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、挖掘、分析等功能。

3 6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)的OMNet++仿真設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在OMNet++仿真軟件中搭建基于6LoWPAN的校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)上文所設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的基本功能。

3.1 6LoWPAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

6LoWPAN節(jié)點(diǎn)模型如圖3所示，節(jié)點(diǎn)模型主要由IEEE802.15.4網(wǎng)卡設(shè)備ieee_802_15_4_Nic模塊、適配層adaption模塊、網(wǎng)絡(luò)層routing模塊、傳輸層udp模塊、應(yīng)用層udpApp模塊等模塊組成。下面分別介紹各模塊主要功能。

Ieee_802_15_4模塊：主要實(shí)現(xiàn)IEEE802.15.4MAC協(xié)議仿真，該模塊模擬信道的特征，處理仿真中的數(shù)據(jù)幀。

adaption模塊：主要實(shí)現(xiàn)6LoWPAN協(xié)議棧的適配層相關(guān)功能的仿真。

routing模塊：主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議的仿真。

udp模塊：主要實(shí)現(xiàn)傳輸層中UDP協(xié)議的仿真。

udpApp模塊：主要實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序的仿真。

mobility模塊：主要提供了節(jié)點(diǎn)的位置并負(fù)責(zé)移動(dòng)性處理。

battery模塊：主要提供每個(gè)節(jié)點(diǎn)能耗的即時(shí)測(cè)量并支持網(wǎng)絡(luò)生命周期模擬。

notificationBoard模塊：該模塊是節(jié)點(diǎn)內(nèi)各模塊間通告信息改變的媒介。

disp模塊：主要實(shí)現(xiàn)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的通信范圍。

3.2 6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上一小節(jié)所設(shè)計(jì)的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)模型，結(jié)合正在建設(shè)中的云南師范大學(xué)智慧校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，在OMNet++仿真軟件中設(shè)計(jì)了一個(gè)基本結(jié)構(gòu)的6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。在仿真網(wǎng)絡(luò)中，模擬了7個(gè)sink節(jié)點(diǎn)，各sink節(jié)點(diǎn)周圍均布置了約30個(gè)6LoWPAN感知節(jié)點(diǎn)，感知節(jié)點(diǎn)與sink節(jié)點(diǎn)組成星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中還包括兩個(gè)核心交換機(jī)、3個(gè)服務(wù)器、防火墻、無線AP等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。感知層主要由6LoWPAN節(jié)點(diǎn)收集信息然后傳遞給sink節(jié)點(diǎn)，sink節(jié)點(diǎn)將采集到的信息經(jīng)過路由器傳輸給網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。6LoWPAN節(jié)點(diǎn)底層采用IEEE802.15.4協(xié)議，傳輸層采用UDP協(xié)議[2]，在節(jié)點(diǎn)間加入了適配層以實(shí)現(xiàn)6LoWPAN協(xié)議；網(wǎng)絡(luò)層在Sink節(jié)點(diǎn)星型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)使用6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器后使用TCP/IPv6協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)和Wifi網(wǎng)絡(luò)；應(yīng)用層主要包括WebServer、FileServer和AppServer，負(fù)責(zé)控制和管理整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，移動(dòng)通信設(shè)備cellphone和laptop通過無線接入AccessPoint可對(duì)6LoWPAN節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息查詢操作，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層軟件的互相通信。

3.3 仿真過程

在程序工程目錄下的omnetpp.ini文件上右擊，選擇Run As | OMNet++ Simulation，彈出如下圖5所示的兩個(gè)窗口。運(yùn)行程序可以看到各節(jié)點(diǎn)之間如何進(jìn)行包的傳輸，右邊窗口給出了相應(yīng)的狀態(tài)信息。仿真過程驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的6LoWPAN校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可行性。

4 結(jié)束語

隨著物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)將在智慧校園扮演越來越重要的角色。本文在6LoWPAN基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了IPv6 over IEEE802.15.4的校園物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了校園物聯(lián)網(wǎng)的基本功能，具有一定的研究?jī)r(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：高友勝（1989-），男，江西九江人，碩士研究生，主要研究方向：6LoWPAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。