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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(kuò)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(wú)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(wú)線個(gè)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(guó)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(tái)一般都是基于非IP技術(shù)或者 IPv4技術(shù)的［4，5］，由此對(duì)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(shì)，提供了基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程開發(fā)平臺(tái)，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(tái)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

本平臺(tái)系統(tǒng)按功能劃分，主要包括三個(gè)部分:①負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)?LoWPAN無(wú)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(jiǎn)單控制和管理的上位機(jī)系統(tǒng)。

平臺(tái)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)和原理如圖1所示。

圖1 平臺(tái)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(yùn)行在不同的無(wú)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(yùn)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(shí)現(xiàn)與3G網(wǎng)絡(luò)的通信;接入模塊上運(yùn)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(diǎn)上面運(yùn)行6LoWPAN協(xié)議，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)送到位于Internet的上位機(jī)。上位用于機(jī)運(yùn)行上位機(jī)軟件，對(duì)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，遠(yuǎn)程監(jiān)控和簡(jiǎn)單功能管理。

2 平臺(tái)硬件構(gòu)成和設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

基于IPv6的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)定位于高校實(shí)驗(yàn)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(tái)主要包括:1個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，2個(gè)無(wú)線溫濕度傳感器，1個(gè)無(wú)線瓦斯?jié)舛葌鞲衅鳎?個(gè)無(wú)線煙霧傳感器，以及1個(gè)AVR下載器和若干配線。平臺(tái)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(jì)，方便進(jìn)行拓展。

2.2 無(wú)線模塊硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線射頻模塊選用AT86RF212芯片作為無(wú)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(tái)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

圖3 無(wú)線模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.3 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)

3.1 IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)架構(gòu)

WSN/3G網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了基于6LoWPAN的無(wú)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(tái)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(guò)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(yùn)行嵌入式 Linux，通過(guò) 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(guò)PPP撥號(hào)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(gè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)過(guò)程中，必須穿透NAT網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)［8］。因此，本平臺(tái)在PC機(jī)上搭建了VPN服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)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(jī)。上位機(jī)經(jīng)過(guò)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(duì)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(jì)

本平臺(tái)開發(fā)人員根據(jù)Slip協(xié)議編寫slip模塊，分別運(yùn)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(lái)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(guò)程中，ARM9控制單元將標(biāo)準(zhǔn)的IPv6數(shù)據(jù)報(bào)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(dú)立;并且防止網(wǎng)絡(luò)的人為割裂，通過(guò)IPv6徹底實(shí)現(xiàn)端到端的信號(hào)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(jì)

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(tái)子網(wǎng)接入單元在原有Contiki協(xié)議棧的基礎(chǔ)上實(shí)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(bào)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(guò)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(guò)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(bào)文重組，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的IPv6報(bào)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(bào)文解壓縮，轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的IPv6數(shù)據(jù)報(bào)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(bào)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(diǎn)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(diǎn)IPv6地址的配置采用如下過(guò)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(diǎn)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(gè)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(shí)符。

4 平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)開發(fā)資源

本平臺(tái)配有相應(yīng)的操作光盤，包含了如下豐富的資源。

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

使用者可以參照說(shuō)明書進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，了解物聯(lián)網(wǎng)入門知識(shí)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(jī)和傳感器的可執(zhí)行文件:用于配合完成綜合實(shí)驗(yàn)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(shuō)明文檔操作過(guò)程中用到的工具和軟件，幫助使用者快速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)/開發(fā)。

(5)硬件芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè):使用者可以根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā)和硬件擴(kuò)展。

5 結(jié)語(yǔ)

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(tái)中，構(gòu)建了一套基于6LoWPAN協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)，為短距離無(wú)線通信與第三代移動(dòng)通信網(wǎng)及Internet的通信提供了解決思路和驗(yàn)證系統(tǒng)平臺(tái)。

針對(duì)本平臺(tái)的應(yīng)用推廣，筆者所在團(tuán)隊(duì)幫助思科公司成功搭建了物聯(lián)網(wǎng)驗(yàn)證系統(tǒng);與韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)、崇實(shí)大學(xué)、鮮文大學(xué)和建國(guó)大學(xué)等高校展開了廣泛的技術(shù)交流合作，開發(fā)驗(yàn)證平臺(tái)在韓國(guó)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(guó)漢陽(yáng)大學(xué)和崇實(shí)大學(xué)等高校用于學(xué)生實(shí)驗(yàn)與技術(shù)開發(fā)。

實(shí)驗(yàn)室以此為基礎(chǔ)，成功獲得了國(guó)家科技重大專項(xiàng)(03專項(xiàng))項(xiàng)目“基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議研發(fā)及驗(yàn)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(jí)、物聯(lián)網(wǎng)的安全、抗干擾等技術(shù)問(wèn)題會(huì)有新的解決思路，到時(shí)本平臺(tái)系統(tǒng)也將提出新的平臺(tái)版本來(lái)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2008

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

［4］ 樂(lè)英高，任小洪等.基于ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺(tái)構(gòu)建［J］.北京:單片機(jī)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(jì)［J］.哈爾濱:自動(dòng)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(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.北京:微計(jì)算機(jī)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(jì).維普資訊http://www.cqvip.com，2007

［8］ 陳輝煌，魏暢.穿越動(dòng)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