基于6LoWPAN物聯網的監測系統設計

文 /梁金榮 胡亞東 馬應蓮 何輝

信息機房的動力環境參數對于信息系統的穩定性、安全性、可靠性具有舉足輕重的作用，對信息機房的環境狀態進行有效監測是IT運維的重要任務。傳統的IT動環系統多采用“傳感器/變速器-儀器儀表-PC專家系統”的有線集中模式，系統龐大、成本高昂、準確性較差、實施困難，利用物聯網等新技術能夠有效解決傳統方式的這些問題，這也成為IT動環系統研究和發展的方向之一。

本系統利用IPv6網絡，基于6LoWPAN（面向低功耗無線局域網的IPv6）和無線傳感網技術，設計IT動環監測系統，主要包括監測節點、6LoWPAN傳感網絡、監測主機（監測中心）三部分。系統主要研究6LoWPAN在物聯網中的應用、IPv6網絡與無線傳感網的融合、傳感數據監測，擬實現的功能有：配電系統監測、機柜溫濕度監測、火災監測、燈光照明控制、人員紅外監測、遠程報警等，設計監測中心服務程序，通過IPv6網絡部署并進行數據傳輸和監測。

系統總體設計方案

系統主要實現6LoWPAN網絡和互聯網相互通信的同時可以實現環境系數的測量，以突出6LoWPAN網絡的優勢，6LoWPAN網絡具有其他無線傳感網絡所沒有的優勢，即布置簡單、維護方便、功耗低、成本低的優勢，可以在沒有任何基礎設施做鋪墊的情況下實現微型設備互聯，并且可以實現穩定方便的環境監測系統。設計系統分為兩個部分來完成，即6LoWPAN網絡和互聯網網絡兩個部分，這兩部分通過串口通信的方式來通信，最終實現了6LoWPAN網絡與互聯網網絡的通信問題，6LoWPAN平臺網絡如圖1所示。

圖1 系統總體設計

關鍵技術

基于Contiki操作系統的6LoWPAN實現

1.事件驅動機制與Protothreads機制

事件驅動機制和Protothreads機制都是Contiki操作系統的兩個主要機制，事件驅動機制是為了降低功耗，Protothreads機制是為了節省內存。其實嵌入式系統被設計出來是為了響應周圍環境的變化，我們把這一個個變化可以看做一個個事件，當事件發生時通過操作系統就可以處理這些事件，當事件沒有發生時，也就是處于空閑狀態時，那么此時嵌入式系統會處于休眠狀態，可以降低功耗，我們把這個過程就叫做事件驅動，就相當于中斷一樣。

傳統的操作系統是通過棧保存進程上下文的，不同的進程需要不同的棧進行保存，由于6LoWPAN網絡節點的內存很有限，所以傳統的操作系統不適用于傳感器設備。要解決在有限內存的情況下保存進程上下文，可以使用 Protothreads機制，通過保存進程被阻塞處的行數（進程結構體的一個變量，unsiged short類型，只需兩個字節），從而實現進程切換，當該進程下一次被調度時，通過switch(_LINE_)跳轉到剛才保存的點，恢復執行。整個Contiki只用一個棧，當進程切換時清空，大大節省了內存。

Protothreads機制的最大特點就是輕量級，每個Protothreads不需要自己的堆棧，所有的Protothreads使用同一個堆棧，而保存程序斷點用兩個字節保存被中斷的行數即可，即Protothreads機制的RAM很小，沒有額外的堆棧。是完全用C語言編制的，沒有匯編和其他語言。可以使用操作系統也可以不使用操作系統。Protothreads機制出現已經很早了，只是Contiki OS中應用了這種機制，此外它還可以應用到許多情形中。在使用Protothreads機制時需注意，因其沒有保存堆棧上下文，所以沒有保存局部變量。那么怎樣使用局部變量呢？我們只能夠將局部變量定義為局部靜態變量，在這種情況下該變量才會在整個生命周期中都存在。

2.定時器

Contiki 提供了四種不同的定時器，同時也提供了定時器初始化、復位、重啟和檢查的相應函數。第一種是只能保存此時定時的時間長短的簡單定時器。第二種是當定時的時間到了的時候能夠生成相應的定時器事件，之后把這個事件發送到初始化對應的定時器的進程中。第三種定時器叫做回調定時器，主要是當定時時間到時開始調用特定的函數。第四種就是實時定時器，專門在特定的時間段里調用已經指定的函數。

3.微型通信協議棧uIP

uIP是TCP/IP的微型協議棧，其實質就是一個程序庫，庫中主要是TCP/IP的最小配置，其中有UDP（用戶協議報協議）、TCP（傳輸控制協議）、IP、ICMP協議等。程序是用C語言寫的，沒有其他的語言。uIP被設計出來是為了解決采用TCP/IP機制的嵌入式設備之間通信的。不管是在多任務操作系統中還是在一個單任務系統中，uIP都可以在其中運行。在TCP/IP協議中是按分層設計的，層與層之間的接口的定義較為嚴密，在實現uIP時為了減少代碼的數量，層與層之間進行了充分的耦合。

4.輕量級通信協議棧Rime

Rime協議棧是專門為WSN網絡設計的，是為了使得WSN網絡協議得到簡化，代碼重用，所以它屬于輕量級通信協議棧，同時它也是層次型協議棧。Rime協議棧的優點是可以把復雜的協議分解成多個簡單的協議。其支持單跳和多跳通信原語，通信原語與通信原語之間存在著層次關系，可以從簡單的匿名廣播到Mesh網絡路由。

5.模擬器Cooja

Cooja是Contiki操作系統的網絡模擬器。在模擬器Cooja上可以進行大型Contiki節點和小型Contiki節點的仿真。節點可以在硬件層面進行仿真，速度有些慢，但可以精確檢測系統的行為，或在一個不太詳細的層面上，速度會更快，并允許更大的網絡仿真。仿真通過后才下載到節點上進行實際測試，有利于發現問題，減少調試工作量。

（1）啟動Cooja

開啟虛擬機后，雙擊虛擬機桌面的Cooja快捷方式，啟動Cooja。也可以通過打開終端窗口輸入cd contiki/tools/cooja命令轉到Cooja目錄，再輸入Cooja啟動命令ant run按回車鍵的方式打開Cooja。

（2）Cooja的編譯過程

Cooja在第一次啟動時需要進行自身編譯，編譯完成后會彈出一個藍色的窗口。

（3）Cooja的仿真過程

單擊File菜單，并單擊New simulation之后打開了Create new simulation對話框。在該對話框中，可以選擇給仿真創建一個新名字，后點擊creat按鈕，這樣就創建了一個新的仿真；屏幕的左上角是Network窗口，顯示所有模擬網絡的節點，如果沒有仿真的節點，窗口是空的。在屏幕的底部有Timeline窗口，在該窗口中會顯示仿真中隨著時間推移的所有通信事件，方便理解網絡中到底發生了什么；Mote output窗口在屏幕的右邊，顯示所有節點的所有串口打印輸出；Notes窗口在屏幕右上角，可以對仿真進行備注；在Simulation control窗口中，可以進行開始、暫停和重新加載操作。

基于CoAP協議的6LoWPAN節點設計

CoAP的請求和響應在發送之前不需要事先建立連接，而是通過CoAP信息來進行異步信息交換，CoAP協議使用UDP進行傳輸。CoAP采用和HTTP協議相同的請求響應工作模式，CoAP協議共有4種不同的消息類型：

1.CON：需要被確認的請求，如果CON請求被發送，那么對方必須做出響應；

2.NON：不需要被確認的請求，如果NON請求被發送，那么對方不必做出回應；

3.ACK：應答消息，如果接收到CON消息的響應；

4.RST：復位消息，當接收者接收到的消息包含一個錯誤，接收者解析消息或者不再關心發送者發送的內容，那么復位消息將會被發送。

雖然CoAP協議目前還在制定當中，但是在Contiki嵌入式操作系統已經支持CoAP協議。在客戶端安裝有可以實現CoAP協議的上位機監測端，通過CoAP協議搜索所需要的信息，就可以得到無線傳感網上傳的信息。整個設計有三個節點，其中核心是6LBR節點，在整個無線傳感網中它相當于邊緣路由器，又相當于6LoWPAN網絡的網關。第二、三個節點相當于CoAP協議的服務器節點，其通過邊緣路由器節點可以把采集到的數據上傳到上位機監測端，CoAP消息結構如圖2所示。

圖2 CoAP消息結構

6LBR網關設計

6LBR網關是本系統的邊緣路由器，也是6LoWPAN網絡的網關。6LBR網關使得WLAN（IPv6）與一個WSN（6LoWPAN）網絡通過RPL路由連接起來就形成了整個網絡。以6LoWPAN開發板為基礎，在Contiki操作系統上運行6LBR應用程序和UDP服務器程序，這樣就可以構成IPv6和IEEE802.15.4協議之間的一個適配層，可以使得兩種類型的網絡互通。RPL路由執行覆蓋NDP的功能，在NDP功能的基礎上又做了很大的改進。Contiki實時操作系統僅僅只使用一個接口所以引進了數據包過濾器?？梢园岩蕴W數據包和6LoWPAN網絡數據包分離開，然后再進行數據交換。6LBR路由原型如圖3所示，兩個數據過濾原理如圖4所示。

根據6LBR網關所要實現的功能，在程序中設計了七個進程。每個進程有自己特定的功能，Web服務器進程可以實現對Web的訪問。UDP服務器進程和UDP客戶端進程是相對的，計算機是UDP客戶端，6LBR網關就是UDP服務器端，通過客戶端就可以訪問服務器端。所以整個過程的核心就是CETIC_6LBR路由及網關處理。

圖3 6LBR路由原型

圖4 兩個數據過濾原理

測試結果

測試平臺的組建

采用的開發平臺是基于Contiki3.0 操作系統的SM14Z2538DK3嵌入式6LoWPAN開發套件。該套件包含三個CC2538節點、一個ENC28J60以太網接口模塊、三個電源適配器、三個USB轉串口模塊。任何一個CC2538節點與ENC28J60以太網接口模塊連接都可以作為邊緣路由器，測試環境網絡拓撲如圖5所示，各節點IPv6地址見表1。

操作系統軟件采用的是Ubuntu開發平臺，在虛擬機中裝有InstantContiki2.7嵌入式操作系統，同時在虛擬機中安裝了JLink_Linux，用于生成.bin可執行文件和給6LoWPAN節點中下載程序。

6LBR網關測試

6LBR是6LoWPAN網絡邊緣路由器，它在整個網絡中起著適配的作用，是IEEE802.15.4協議和IPv6相互的連接層。6LoWPAN節點和ENC28J60以太網接口模塊連接，通過路由器再與計算機相連，就形成了整個路由網絡。通過計算機管理員命令窗口，輸入ping命令，對6LBR網絡進行連接，輸入ipconfig命令查看計算機IP地址配置。6LBR在串口上顯示的數據如圖6所示。串口上顯示了SM14Z2538開發板的信息、6LoWPAN邊緣路由器節點的IPv6地址以及6LBR路由執行信息等。

圖5 測試環境網絡拓撲

表1 SM14Z2538開發板與USB轉串口引腳連線說明

圖6 6LBR在串口上顯示的數據

圖7 CoAP服務器及溫濕度采集節點上傳的溫度數據

圖8 CoAP服務器及溫濕度采集節點上傳的濕度數據

CoAP協議及溫濕度采集測試

CoAP服務器通過無線網絡與6LBR邊緣路由器進行通信，所用的協議是IEEE802.15.4。將溫濕度傳感器模塊與SM14Z2538開發板連接，在計算機上安裝火狐瀏覽器，并安裝Copper插件，連接CoAP服務器及溫濕度數據采集節點。通過計算機管理員窗口輸入ping -6 aaaa::212:4b00:5af:81a1命令查看CoAP服務器及溫濕度采集節點1網絡連接情況，輸入ping -6 aaaa::212:4b00:5af:8269命令，查看CoAP服務器及溫濕度采集節點2網絡連接情況，網絡保持連接狀態。

在瀏覽器中輸入6LBR網關節點的IP地址[bbbb::100]就會在Web網頁上顯示6LBR網關節點的配置信息，包括版本號、路由信息及IP地址信息等，鄰居發現的傳感器節點的信息以及網絡信息等。打開火狐瀏覽器，在地址欄輸入：coap://[aaaa::212:4b00:5af:81a1]:5683，然后點擊ping按鈕，會顯示收到應答消息，RTT時間為55ms（數據從電腦經過路由器、CC2538邊界路由、到達節點、再返回的時間）。輸入coap://[aaaa::212:4b00:5af:81a1]:5683/config?param=ip,點擊GET，可以獲得默認的IP地址輸入coap://[aaaa::212:4b00:5af:81a1]:5683/config?param=path,可以獲得默認路徑，設計主要目的是在火狐瀏覽器中通過CoAP協議查看實時溫度數據和實時濕度數據，如圖7和圖8所示，CoAP服務器及溫濕度采集節點串口顯示數據如圖9所示。

在計算機終端，打開軟件 sokit.exe，點擊 UDP偵聽（計算機終端與邊界路由在同一個IP段里）。可以看到圖10顯示了計算機終端的地址與連接的對象，如果有多個節點加入，則會顯示多個連接對象。收發記錄則顯示了節點向邊界路由發送的消息。

結束語

物聯網需要更多的設備連入網絡，技術上必須有所突破，采用6LoWPAN網絡是目前比較明智的選擇，6LoWPAN的優越性是其他物聯網技術無法比擬的，同時也為IPv6網絡的發展提供了機遇?；贗Pv6物聯網的環境監測系統使用6LoWPAN網絡技術將微型嵌入式設備連入網絡，實現了IEEE802.15.4協議與IPv6網絡的互通。以CC2538SF53為主控核心，實現了整個傳感網絡對數據的采集、處理、傳輸、監控等。應用6LoWPAN網絡技術大大降低了網絡連接的難度，6LBR路由技術給6LoWPAN網絡提供了可靠的支持，所以微型嵌入式設備連接入網路由方面比較穩定，而且使用了上位機監控軟件和應用層協議，大大提高了6LoWPAN網絡的實用性和可推廣性。

圖9 CoAP服務器及溫濕度采集節點串口數據

圖10 UDP偵聽數據結果

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