基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺的設(shè)計

王 平，陳靜明，王 恒，寧 靜

(重慶郵電大學(xué)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶 400065)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物物相連的網(wǎng)絡(luò)不斷擴大，位于物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備數(shù)量也在急劇上升，應(yīng)用于因特網(wǎng)的IPv4技術(shù)將無法滿足部署海量設(shè)備的地址空間，而IPv6技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了很好的保障，成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的主流技術(shù)。6LoWPAN協(xié)議是基于IPv6的無線個域網(wǎng)技術(shù)，為短距離通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用IPv6技術(shù)提供了標(biāo)準(zhǔn)支持［1-3］。我們與思科公司共建了科技聯(lián)合研發(fā)中心，在國際標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)品開發(fā)方向面進(jìn)行了深入研究。

傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺一般都是基于非IP技術(shù)或者 IPv4技術(shù)的［4，5］，由此對理解大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)產(chǎn)生一定的局限性。本文在此結(jié)合3G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展優(yōu)勢，提供了基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程開發(fā)平臺，從IPv6和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)(3G、6LoWPAN及Internet)集成的角度介紹物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

1 平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

本平臺系統(tǒng)按功能劃分，主要包括三個部分:①負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)?LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò);②負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換和3G網(wǎng)絡(luò)接入的網(wǎng)關(guān)［6］;③負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)提取、處理、簡單控制和管理的上位機系統(tǒng)。

平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 平臺系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和原理圖

本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的6LoWPAN子網(wǎng)可以運行在不同的無線工作頻率上，包括433MHz頻段、780MHz頻段及2.4G頻段等，本文的討論是基于780MHz頻段展開的。本系統(tǒng)根據(jù)3G模塊選擇的不同，可以接入不同的3G通信網(wǎng)，本文以接入TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)為例。本系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是WSN/3G嵌入式網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)包含了ARM核心、3G模塊和6LoPWAN子網(wǎng)的接入模塊。ARM核心運行嵌入式Linux，是網(wǎng)關(guān)的控制核心;3G模塊負(fù)責(zé)接入3G網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)與3G網(wǎng)絡(luò)的通信;接入模塊上運行6LoWPAN協(xié)議，擔(dān)任6LoWPAN子網(wǎng)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)6LoWPAN子網(wǎng)的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。傳感器節(jié)點上面運行6LoWPAN協(xié)議，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到位于Internet的上位機。上位用于機運行上位機軟件，對6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，遠(yuǎn)程監(jiān)控和簡單功能管理。

2 平臺硬件構(gòu)成和設(shè)計

2.1 平臺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實驗平臺定位于高校實驗室基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用和研發(fā)，集成了嵌入式網(wǎng)關(guān)和多種傳感器模型，硬件資源豐富。該平臺主要包括:1個嵌入式網(wǎng)關(guān)，2個無線溫濕度傳感器，1個無線瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎?個無線煙霧傳感器，以及1個AVR下載器和若干配線。平臺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖2所示。硬件資源全部采用裸板設(shè)計，方便進(jìn)行拓展。

2.2 無線模塊硬件設(shè)計

無線射頻模塊選用AT86RF212芯片作為無線收發(fā)器，工作頻率為780MHz。該模塊的硬件結(jié)框圖如圖3所示。

圖2 平臺系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

圖3 無線模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)是連接不同網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，ARM核心選用的是基于32位ARM9核的S3C2440嵌入式微處理，具有豐富的接口資源，能夠完全滿足網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)建。圖4為WSN/TD-SCDMA嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

圖4 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)

WSN/3G網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。圖5展示了本平臺系統(tǒng)的IP互聯(lián)模型。

圖5 IP互聯(lián)模型

基于3FFE::/64前綴的子網(wǎng)數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)的子網(wǎng)接入單元(扮演子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的角色);子網(wǎng)接入單元將6LoWPAN子網(wǎng)數(shù)據(jù)通過SL0的虛擬網(wǎng)口發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的ARM核心;網(wǎng)關(guān)的ARM核心運行嵌入式 Linux，通過 TD-SCDMA modem形成的PPP0網(wǎng)口發(fā)送到TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)通過PPP撥號獲得的IPv4地址為內(nèi)網(wǎng)地址，由于子網(wǎng)地址為IPv6地址，所以整個網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過程中，必須穿透NAT網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)［8］。因此，本平臺在PC機上搭建了VPN服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)和上位機作為VPN客戶端連接上服務(wù)器，最終建立起一條IPv6的通道，將6LoWPAN子網(wǎng)數(shù)據(jù)傳送到位于Internet的上位機。上位機經(jīng)過數(shù)據(jù)解析，可以將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳感器數(shù)據(jù)等信息顯示在監(jiān)控界面上，方便對6LoWPAN子網(wǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控和管理。

3.2 ARM核心的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計

本平臺開發(fā)人員根據(jù)Slip協(xié)議編寫slip模塊，分別運行在網(wǎng)關(guān)的ARM核心和子網(wǎng)接入單元上。網(wǎng)關(guān)ARM核心協(xié)議轉(zhuǎn)換流程如圖6所示。當(dāng)ARM9控制單元接收到Slip接口(sl0)發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，首先判斷數(shù)據(jù)是不是Slip格式數(shù)據(jù)。如果不是則丟棄該數(shù)據(jù)包，如果是則解析Slip幀頭。進(jìn)一步解析Ethernet(以太網(wǎng))幀頭，將解析后的數(shù)據(jù)向上交付給IP層;IP層判斷該數(shù)據(jù)包是不是標(biāo)準(zhǔn)的IPv6格式的數(shù)據(jù)包，如果不是，則丟棄該數(shù)據(jù)包，如果是，則將該IPv6數(shù)據(jù)包從PPP0接口轉(zhuǎn)發(fā)出去，發(fā)送到3G接入單元。上述協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中，ARM9控制單元將標(biāo)準(zhǔn)的IPv6數(shù)據(jù)報文從網(wǎng)絡(luò)層直接轉(zhuǎn)發(fā)，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)與具體應(yīng)用數(shù)據(jù)的相互獨立;并且防止網(wǎng)絡(luò)的人為割裂，通過IPv6徹底實現(xiàn)端到端的信號傳輸。

圖6 網(wǎng)關(guān)ARM核心協(xié)議轉(zhuǎn)換流程圖

3.3 子網(wǎng)接入單元協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計

WSN子網(wǎng)接入單元在WSN中充當(dāng)了協(xié)調(diào)器的角色，定義了網(wǎng)絡(luò)層(適配層和IP層統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)層)，以及 IEEE 802.15.4 或者 IEEE 802.15.4c 標(biāo)準(zhǔn)的MAC層和物理層。本平臺子網(wǎng)接入單元在原有Contiki協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了WSN子網(wǎng)的組網(wǎng)入網(wǎng)、6LoWPAN適配層關(guān)鍵技術(shù)(報頭壓縮、分片重組等)、數(shù)據(jù)匯集以及IEEE 802.15.4C協(xié)議和以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換［9］。通過協(xié)議轉(zhuǎn)換，將子網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至ARM單元。WSN子網(wǎng)接入單元具體的協(xié)議轉(zhuǎn)換過程如圖7所示。

圖7 WSN子網(wǎng)接入單元協(xié)議轉(zhuǎn)換流程圖

當(dāng)協(xié)調(diào)器單元的射頻單元收到數(shù)據(jù)后，首先解析IEEE 802.15.4c的MAC幀頭;然后解析適配層幀頭，判斷此數(shù)據(jù)包是不是分片的數(shù)據(jù)包。如果是的話進(jìn)行報文重組，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報文;如果數(shù)據(jù)包是不分片的數(shù)據(jù)包，則進(jìn)一步判斷該數(shù)據(jù)包是不是壓縮的數(shù)據(jù)包，如果是的話則進(jìn)行報文解壓縮，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的IPv6數(shù)據(jù)報文;下一步，為標(biāo)準(zhǔn)的IPv6數(shù)據(jù)包裝載Ethernet幀頭，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文;然后裝載Slip幀頭，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為Slip協(xié)議格式;最后，將Slip格式的數(shù)據(jù)包從串口發(fā)送到網(wǎng)關(guān)的ARM9控制單元。

3.4 節(jié)點公網(wǎng)IPv6地址配置

IPv6地址由64位的前綴和64位的網(wǎng)絡(luò)接口組成，6LoWPAN節(jié)點IPv6地址的配置采用如下過程。

(1)公網(wǎng)IPv6前綴的獲得:Linux開發(fā)板周期性轉(zhuǎn)發(fā)從IPv6網(wǎng)絡(luò)獲得的RA路由廣告并轉(zhuǎn)發(fā)給Slip虛擬網(wǎng)口，6LoWPAN協(xié)調(diào)器周期性廣播該 RA。6LoWPAN節(jié)點解析RA中的前綴信息，并加入或更新前綴列表。

(2)根據(jù)2個字節(jié)的短地址自配置成公網(wǎng)IPv6地址:公網(wǎng)IPv6前綴::/64+64位本地接口標(biāo)識符。

4 平臺的實驗開發(fā)資源

本平臺配有相應(yīng)的操作光盤，包含了如下豐富的資源。

(1)三個說明文檔:①AT86RF-212-PK使用說明書;②嵌入式網(wǎng)關(guān)(YC2440-utuLinux2.6.24)使用說明書;③綜合實驗(基于IPv6的WSN-TD-SCDMA異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)搭建)說明書。

使用者可以參照說明書進(jìn)行基礎(chǔ)實驗，了解物聯(lián)網(wǎng)入門知識和IPv6網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

(2)ContikiV1.0源碼包:使用者可以在此源碼基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的6LoWPAN協(xié)議開發(fā)和拓展。

(3)上位機和傳感器的可執(zhí)行文件:用于配合完成綜合實驗操作，幫助使用者了解IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作。

(4)工具和軟件:配有說明文檔操作過程中用到的工具和軟件，幫助使用者快速進(jìn)行實驗/開發(fā)。

(5)硬件芯片的數(shù)據(jù)手冊:使用者可以根據(jù)數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行驅(qū)動開發(fā)和硬件擴展。

5 結(jié)語

本文將6LoWPAN、嵌入式、3G和Internet等技術(shù)融合在物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺中，構(gòu)建了一套基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺，為短距離無線通信與第三代移動通信網(wǎng)及Internet的通信提供了解決思路和驗證系統(tǒng)平臺。

針對本平臺的應(yīng)用推廣，筆者所在團(tuán)隊幫助思科公司成功搭建了物聯(lián)網(wǎng)驗證系統(tǒng);與韓國漢陽大學(xué)、崇實大學(xué)、鮮文大學(xué)和建國大學(xué)等高校展開了廣泛的技術(shù)交流合作，開發(fā)驗證平臺在韓國信息技術(shù)資源中心進(jìn)行展示引起了熱烈反響，并被韓國漢陽大學(xué)和崇實大學(xué)等高校用于學(xué)生實驗與技術(shù)開發(fā)。

實驗室以此為基礎(chǔ)，成功獲得了國家科技重大專項(03專項)項目“基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研發(fā)及驗證(2012ZX03005001)”的資助。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，IPv4與IPv6的共存和轉(zhuǎn)化升級、物聯(lián)網(wǎng)的安全、抗干擾等技術(shù)問題會有新的解決思路，到時本平臺系統(tǒng)也將提出新的平臺版本來適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展需要。

［1］ RFC 4919-IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks(6LoWPANs)Overview，Asumptions，Problem Statement，and Goals，August 2007

［2］ 李堃.基于6LoWPAN的Ipv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實現(xiàn)［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2008

［3］ 孫展.基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.鄭州:中國人民解放軍信息工程大學(xué)，2007

［4］ 樂英高，任小洪等.基于ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺構(gòu)建［J］.北京:單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011(2)

［5］ 王鴻磊，張雪松，徐釗.基于WSN和GPRS的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.哈爾濱:自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010:29(3)

［6］ 喬大雷，夏士雄等.基于ARM9的嵌入式Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.北京:微計算機信息，2009，12(2):156-158

［7］ 吳海平，王慧鋒.基于ARM技術(shù)的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計.維普資訊http://www.cqvip.com，2007

［8］ 陳輝煌，魏暢.穿越動態(tài)NAT的IPv6 over IPv4隧道方案［J］.北京:電力系統(tǒng)通信.2009.2:30(196)

［9］ RFC 4944-Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802_15_4 Networks，September 2007