基于OMNet++的6LoWPAN校園物聯網系統仿真實現

摘 要：隨著無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network，WSN）和物聯網（Internet of Things，IOT）技術的日益發展及IPv6網絡的普及，IPv6物聯網技術將成為未來物聯網技術的發展趨勢。本文以云南師范大學智慧校園物聯網系統構建為研究背景，開發并實現基于OMNet++的6LoWPAN校園物聯網仿真系統，給出了具體的物聯網構建方案，希望對6LoWPAN校園物聯網行業發展有所幫助。

關鍵詞：物聯網；智慧校園；6LoWPAN

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

1 概述

基于IEEE802.15.4的物聯網與傳統的無線傳感器網絡相比，網絡中存在的節點數量龐大、密度更高，且網絡中感知節點自身硬件通信、計算、電源等能力較差，而IEEE802.15.4標準并不直接支持IPv6協議棧，基于IEEE802.15.4物聯網的這些特性導致IPv6直接構建于IEEE802.15.4網絡上面臨著許多問題。IPv6 over IEEE802.15.4工作組為了解決IPv6在IEEE802.15.4物聯網中的應用所面臨的問題提出了6LoWPAN協議，實現IEEE802.15.4物聯網底層使用IPv6協議與異構網絡之間的無縫接入。本文設計并實現了一個基于6LoWPAN的校園物聯網系統，主要采用星型拓撲結構，完成6LoWPAN物聯網感知節點間與異構網絡通信設備之間的UDP數據包通信。

2 6LoWPAN校園物聯網總體構架設計

6LoWPAN校園物聯網系統設計采用三層網絡架構如圖1所示，三層架構分為感知層、網絡層、和應用層[1]。

2.1 感知層

感知層是物聯網三層架構中的核心層，主要功能是解決感知對象信息數據的采集問題，感知功能主要由各種傳感器和傳感網構成。感知對象包括教師、學生、教學樓、體育館等環境資源，此外還包括空調、車輛、路燈等各類設備等物質資源。感知層的感應設備包括6LoWPAN網絡、6LoWPAN感知節點設備、RFID、多媒體設備、無線傳感器網絡WSN、GPS定位等。該層的關鍵技術技術有：自組織網技術、射頻技術、遠和近距離傳輸技術、協同信息處理技術、信息采集中間件技術等。

2.2 網絡層

網絡層也稱傳輸層，主要功能是將感知層采集到的數據在網絡上進行傳輸，不需要對感知數據進行處理，網絡層包括接入網和傳輸網。接入網主要解決底層傳感器網絡的最后一公里接入問題，接入網技術架構如圖2所示，主要包括：無線接入、有線接入、以太網接入等。傳輸網主要包括：電信網、移動網、互聯網、廣電網等。

2.3 應用層

應用層為采集與管理平臺層，主要完成對網絡層傳遞來的信息進行加工處理的功能。應用層基于實際應用需求開發的應用程序和管理軟件，通過對感知層節點采集到的信息進行分析和匯總，并作出相應的策略實施以達到校園物聯網的管理和控制，典型的應用有：智慧教室、智能停車場、只能體育館、智能圖書館等。應用層中的公共中間件、信息開放平臺、云計算平臺、服務支撐平臺等組成處理層，完成數據的存儲、計算、挖掘、分析等功能。

3 6LoWPAN校園物聯網的OMNet++仿真設計與實現

在OMNet++仿真軟件中搭建基于6LoWPAN的校園物聯網系統，系統根據上文所設計的物聯網系統架構，實現感知層、網絡層和應用層的基本功能。

3.1 6LoWPAN節點設計

6LoWPAN節點模型如圖3所示，節點模型主要由IEEE802.15.4網卡設備ieee_802_15_4_Nic模塊、適配層adaption模塊、網絡層routing模塊、傳輸層udp模塊、應用層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：主要實現IEEE802.15.4MAC協議仿真，該模塊模擬信道的特征，處理仿真中的數據幀。

adaption模塊：主要實現6LoWPAN協議棧的適配層相關功能的仿真。

routing模塊：主要實現網絡層路由協議的仿真。

udp模塊：主要實現傳輸層中UDP協議的仿真。

udpApp模塊：主要實現節點應用程序的仿真。

mobility模塊：主要提供了節點的位置并負責移動性處理。

battery模塊：主要提供每個節點能耗的即時測量并支持網絡生命周期模擬。

notificationBoard模塊：該模塊是節點內各模塊間通告信息改變的媒介。

disp模塊：主要實現計算節點的通信范圍。

3.2 6LoWPAN校園物聯網組網設計

根據上一小節所設計的6LoWPAN節點模型，結合正在建設中的云南師范大學智慧校園物聯網系統，在OMNet++仿真軟件中設計了一個基本結構的6LoWPAN物聯網網絡如圖4所示。在仿真網絡中，模擬了7個sink節點，各sink節點周圍均布置了約30個6LoWPAN感知節點，感知節點與sink節點組成星型結構，網絡中還包括兩個核心交換機、3個服務器、防火墻、無線AP等網絡設備。感知層主要由6LoWPAN節點收集信息然后傳遞給sink節點，sink節點將采集到的信息經過路由器傳輸給網絡上的其他設備。6LoWPAN節點底層采用IEEE802.15.4協議，傳輸層采用UDP協議[2]，在節點間加入了適配層以實現6LoWPAN協議；網絡層在Sink節點星型網絡內使用6LoWPAN網絡，數據經過路由器后使用TCP/IPv6協議棧網絡和Wifi網絡；應用層主要包括WebServer、FileServer和AppServer，負責控制和管理整個物聯網系統，移動通信設備cellphone和laptop通過無線接入AccessPoint可對6LoWPAN節點進行信息查詢操作，實現應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所示的兩個窗口。運行程序可以看到各節點之間如何進行包的傳輸，右邊窗口給出了相應的狀態信息。仿真過程驗證了本文所設計的6LoWPAN校園物聯網系統的可行性。

4 結束語

隨著物聯網和傳感網技術的不斷發展，基于IPv6的物聯網將在智慧校園扮演越來越重要的角色。本文在6LoWPAN基礎上設計并實現了IPv6 over IEEE802.15.4的校園物聯網系統，實現了校園物聯網的基本功能，具有一定的研究價值。

參考文獻：

[1]向浩，李堃，袁家斌.基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網絡[J]. 南京理工大學學報（自然科學版），2010，34（01）：56-60.

[2]WEN Yangdong， 溫陽東，WANG Yingxin等.基于6LoWPAN無線傳感器網絡的設計與應用[C].華東六省一市自動化學會2012學術年會， 2012.

作者簡介：高友勝（1989-），男，江西九江人，碩士研究生，主要研究方向：6LoWPAN物聯網技術。