胡國強+李茵++蔚繼承

摘 要： 針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中信息監(jiān)測點分散和學?，F(xiàn)有無線傳感網(wǎng)絡（WSN）的不足，采用移植性強支持6LoWPAN協(xié)議棧的Contiki嵌入式操作系統(tǒng)在STM32平臺上進行農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測傳感器節(jié)點設計；在DDWrt上實現(xiàn)了支持6LoWPAN協(xié)議棧的IPv4/IPv6雙棧邊緣路由器，將監(jiān)測到的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息轉(zhuǎn)發(fā)到IPv4/IPv6網(wǎng)絡，最終實現(xiàn)了基于6LoWPAN的農(nóng)業(yè)信息傳感系統(tǒng)。在校園網(wǎng)環(huán)境下測試了農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感節(jié)點與測試機網(wǎng)絡的連通性，測試結(jié)果表明，基于6LoWPAN協(xié)議的無線網(wǎng)關與農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測傳感節(jié)點通過6LoWPAN協(xié)議可以正常通信，用戶可通過CoAP協(xié)議訪問6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡。

關鍵詞： 6LoWPAN； CoAP； WSN； Contiki； 農(nóng)業(yè)環(huán)境信息

中圖分類號： TN915.04?34； TP393.03 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）23?0152?05

Design and implementation of agri?environmental information sensing

system based on 6LoWPAN and CoAP

HU Guoqiang1， LI Yin2， WEI Jicheng2

（1. Network and Education Technology Center， Northwest A&F University， Yangling 712100， China；

2. College of Information Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， China）

Abstract： To overcome the insufficient of disperse information monitoring points in agricultural production environment and wireless sensor network （WSN） existing in college， the strong portability embedded operating system Contiki supporting 6LoWPAN protocol stack is adopted to design the agri?environmental monitoring sensor node on STM32 platform. The IPv4/IPv6 double?stack edge router supporting 6LoWPAN protocol stack was realized on DDWrt. The monitored agri?environmental information is transmitted to the IPv4/IPv6 network to realize the agricultural information sensing system based on 6LoWPAN. The connectivity between agri?environmental information sensor node and tester network was tested in campus network environment. The test results show that the 6LoWPAN protocol based wireless gateway can communicate with agri?environmental information monitoring sensor nodes via 6LoWPAN protocol normally， and users can access the 6LoWPAN wireless sensor networks via CoAP protocol.

Keywords： 6LoWPAN； CoAP； WSN； Contiki； agri?environmental information

0 引 言

近年來，隨著高性能、低成本嵌入式技術(shù)的發(fā)展，受業(yè)界廣泛關注的無線傳感器網(wǎng)絡WSN （Wireless Sensor Network，）已在農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測方面得到了初步應用[1?3]。WSN是由部署在一定范圍內(nèi)用于傳感溫度、空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度等物理現(xiàn)象的傳感器節(jié)點組成[4]。無線傳感器網(wǎng)絡在信息采集方面的廣泛應用極大地促進了無線傳感器網(wǎng)絡在各個領域的研究發(fā)展[5]。現(xiàn)有的無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)主要有兩大類：第一類為非IP技術(shù)類型，比如大規(guī)模使用的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)；另一類為基于IP的技術(shù)，比如uIPv6協(xié)議 [6]。

隨著IPv4/IPv6網(wǎng)絡和無線傳感網(wǎng)絡的飛速發(fā)展，將IPv6網(wǎng)絡和無線傳感網(wǎng)絡結(jié)合的技術(shù)已成為國內(nèi)外研究的熱點[7]。IETF （ Internet Engineering Task Force）成立專門小組致力于實現(xiàn)IPv6網(wǎng)絡的嵌入式設備化，發(fā)揮其在無線傳感網(wǎng)絡中的地址優(yōu)勢[6]。在IETF的不斷努力下，低功耗802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議及網(wǎng)絡層協(xié)議的6LoWPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）協(xié)議棧被提出來，通過6LoWPAN適配層對IPv6數(shù)據(jù)包進行分片和重組，完成IPv6網(wǎng)絡層與802.15.4物理層的融合[8?11]。

近年來，已有基于 6LoWPAN協(xié)議棧的無線傳感技術(shù)在工農(nóng)業(yè)和生活中應用的相關研究。文獻[12]設計并實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡6LoWPAN路由器，文獻[13]設計并實現(xiàn)了基于6LoWPAN協(xié)議的監(jiān)測系統(tǒng)，文獻[14]實現(xiàn)了將WSN接入到IPv6系統(tǒng)，文獻[15]設計了WSN計入到IPv6網(wǎng)絡模型，文獻[16]設計實現(xiàn)了6LoWPAN的智能家電監(jiān)測與控制系統(tǒng)，文獻[17]基于6LoWPAN對礦井無線傳感器網(wǎng)絡適配層進行了研究，文獻[7]設計和實現(xiàn)了一個基于TinyOS的6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡，上述研究有很高的應用價值，但也有值得改進之處。實際應用中部署的WSN與IPv4/IPv6網(wǎng)絡之間無法進行點到點的通信，即用戶無法迅速地對特定地理壞境的農(nóng)業(yè)信息進行監(jiān)測，無法通過命令管理每個空氣濕度、光照強度、土壤溫度、土壤濕度等調(diào)節(jié)裝置[15]。為了讓農(nóng)業(yè)信息WSN支持IP網(wǎng)絡架構(gòu)，本文設計和實現(xiàn)了一個基于Contiki嵌入式操作系統(tǒng)的6LoWPAN農(nóng)業(yè)環(huán)境實時傳感系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了以IEEE 802.15.4作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層標準的WSN，靈活接入IPv4/IPv6網(wǎng)絡中，完成了WSN與互聯(lián)網(wǎng)之間的點到點通信。用戶可以通過Web服務器對基于6LoWPAN的WSN進行實時管理。

1 基于6LoWPAN的農(nóng)業(yè)信息傳感系統(tǒng)總體設計

1.1 需求分析

本系統(tǒng)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息采集與控制，各個節(jié)點通過6LoWPAN協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LoWPAN網(wǎng)關，最終通過IPV4/IPv6網(wǎng)絡將采集的數(shù)據(jù)傳送到Web服務器，具體要求如下。

（1） 傳感器系統(tǒng)穩(wěn)定性

傳感器節(jié)點一般部署在環(huán)境惡劣、高海拔、高寒、潮濕、干旱半干旱地區(qū)，在這些極其惡劣的環(huán)境下，農(nóng)業(yè)專家需要大量實時的連續(xù)數(shù)據(jù)研究農(nóng)作物的生長。因此，需要末端傳感器節(jié)點在復雜多變的環(huán)境中穩(wěn)定地傳輸類型復雜多變、精度要求高的觀測數(shù)據(jù)，同時還要求各節(jié)點故障率低，不間斷觀測。

（2） 所有傳感器節(jié)點和邊緣路由器全都支持6LoWPAN協(xié)議棧，每個都有惟一的IPv6地址。

（3） 傳感器系統(tǒng)可擴展性

末端傳感器節(jié)點能自由擴減，兼容性強，能穩(wěn)定、節(jié)能地采集農(nóng)業(yè)環(huán)境信息并將這些信息傳輸?shù)叫畔⒐芾矸掌鳌?/p>

（4） 數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一

各類傳感器收集的數(shù)據(jù)類型不同，為了方便管理和處理這些數(shù)據(jù)，必須建立元數(shù)據(jù)模型。

（5） 便于用戶訪問

在REST（Representational State Transfer）即表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)移架構(gòu)的CoAP（Constrained Application Protocol）[18]中抽象傳感器資源，優(yōu)化 CoAP協(xié)議增加的報文傳輸時延，使得主機能直接通過網(wǎng)頁訪問傳感器資源。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)主要包括以下兩部分：

（1） 6LoWPAN 網(wǎng)絡：用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)或者根據(jù)后臺指令執(zhí)行具體的操作；

（2） 后臺系統(tǒng)：用于存儲數(shù)據(jù)和發(fā)出指令。其中 6LoWPAN網(wǎng)絡又包含兩種不同的節(jié)點：一個是普通的 6LoWPAN節(jié)點，用于數(shù)據(jù)的采集與指令執(zhí)行；另一個是6LoWPAN路由器，用于連接6LoWPAN網(wǎng)絡與IPv4/IPv6網(wǎng)絡。

具體細劃為支持6LoWPAN協(xié)議棧的WSN，6LoWPAN邊界路由器，IPv6網(wǎng)絡，Web服務器，終端用戶五部分，如圖1所示。

基于6LoWPAN的傳感器節(jié)點采集農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的信息后傳給節(jié)點的MCU[19]（微處理器），MCU對數(shù)據(jù)包處理后經(jīng)過6LoWPAN適配層的分片和重組，封裝成802.15.4數(shù)據(jù)格式發(fā)送給邊緣路由器的無線網(wǎng)卡模塊；無線網(wǎng)卡上射頻芯片接收數(shù)據(jù)包在6LoWPAN適配層分片和重組后經(jīng)過串口發(fā)送給邊界路由器，邊界路由器把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到IPv4/IPv6網(wǎng)絡，整個過程如圖2所示。實現(xiàn)了基于6LoWPAN協(xié)議棧的WSN與IPv4/IPv6網(wǎng)絡的互通和融合，用戶可以通過IPv4/IPv6網(wǎng)絡實時訪問6LoWPAN網(wǎng)絡。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器節(jié)點硬件設計

傳感器節(jié)點由RF收發(fā)器、MCU及傳感單元三部分組成，具體設計如圖3所示。

本課題選用的MCU是意法半導體（STMicroelectronics）公司系統(tǒng)級芯片STM32F103RCT6，該芯片集成低功耗32位ARM Cortex?M3微處理器，256 KB FLASH閃存，48 KB RAM儲存器和其他通用外設。RF收發(fā)器采用AT86RF231芯片，AT86RF231是一款工業(yè)級、低電壓供電、超低功耗、方便操作的收發(fā)器。傳感單元采用可以檢測周圍環(huán)境的濕度和溫度的傳感器DHT11。

傳感器節(jié)點主要有兩個功能：

（1） 傳感單元采集農(nóng)業(yè)環(huán)境信息后發(fā)送到MCU處理，處理后經(jīng)過RF收發(fā)器發(fā)給邊緣路由器；

（2） 傳感器節(jié)點通過RF收發(fā)器接收邊緣路由器的數(shù)據(jù)包，微處理器對數(shù)據(jù)包進行處理后發(fā)送命令給傳感單元。

2.2 邊緣路由器硬件設計

邊緣路由器由兩大模塊組成：與傳感器節(jié)點通信的傳感網(wǎng)絡模塊和與IPV4/IPv6網(wǎng)絡通信的IPV4/IPv6網(wǎng)絡模塊。兩個模塊通過串口或USB口相連，具體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.2.1 WSN模塊硬件設計

基于兩大模塊的功能需求，采用雙MCU架構(gòu)。WSN網(wǎng)絡通信模塊仍采用AT86RF231和STM32F103RCT6，天線采用Antenova公司支持2.4 GHz的微型天線A5839。

2.2.2 IPv6模塊硬件設計

IPv4/IPv6模塊利用支持DDWRT的BUFFALO WXR?1900DHP千兆路由器進行開發(fā)，其使用雙核Broadcom BCM4709A處理器，Broadcom BCM4360雙頻無線網(wǎng)絡芯片，內(nèi)存512 MB，F(xiàn)LASH 128 MB，刷機系統(tǒng)可擴展能力強。首先，升級DDWRT固件，使其支持IPv4/IPv6雙棧，實現(xiàn)6LoWPAN傳感網(wǎng)絡向IPv4/IPv6網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；其次開發(fā)能識別通過USB接口相連的WSN模塊的驅(qū)動程序，使其識別WSN網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包，實現(xiàn)6LoWPAN傳感網(wǎng)絡與IPv4/IPv6相互通信。

3 軟件設計

3.1 無線傳感器節(jié)點軟件設計

無線傳感器節(jié)點和邊緣路由器WSN模塊移植Contiki操作系統(tǒng)[20]，Contiki是一種物聯(lián)網(wǎng)開源操作系統(tǒng)。Contiki連接微小的、低成本、低功耗微控制器網(wǎng)絡。它由C語言實現(xiàn)的基于事件驅(qū)動的開源多任務操作系統(tǒng)組成。其使用輕量級protothreads進程模型，可以在事件驅(qū)動內(nèi)核上提供一個線性的、類似于線程的編程風格[21]，移植性強。雖然CoAP協(xié)議目前還在制定當中，但Contiki和Ti?nyOS嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)支持CoAP協(xié)議[22]。REST中對資源的請求操作包括獲取、創(chuàng)建、修改和刪除。目前通常采用HTTP（超文本轉(zhuǎn)移協(xié)議）實現(xiàn)RESTfuI架構(gòu)，因為HTTP提供了GET，POST，PUT和DELETE幾種操作方法，與REST要求相一致，是一種無狀態(tài)協(xié)議。由于HTTP是基于TCP協(xié)議的，在使用時需要保持連接，這對于帶寬有限的傳感器網(wǎng)絡來說是不小的開銷。采用UDP作為傳輸層協(xié)議的CoAP（Constrained Application Protocol）協(xié)議更適合在資源受限的網(wǎng)絡設備上使用[23]。

傳感器節(jié)點的軟件架構(gòu)包括系統(tǒng)支撐層、傳輸層、協(xié)議層及應用層，傳感器節(jié)點軟件流程設計圖如圖5所示。傳感器節(jié)點上電初始化后處于監(jiān)聽邊緣路由器的狀態(tài)。一旦邊緣路由器發(fā)來數(shù)據(jù)包，傳感器節(jié)點就對數(shù)據(jù)包進行解析。如果是監(jiān)測指令，傳感器節(jié)點就查詢當前環(huán)境信息，把數(shù)據(jù)壓縮之后通過射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器；如果是控制指令，傳感器節(jié)點將會控制環(huán)境信息傳感器的開關狀態(tài)，其完成指令后，也會通過射頻模塊向邊緣路由器發(fā)送應答信號。

3.2 邊緣路由器軟件設計

邊緣路由器內(nèi)有兩個獨立的操作系統(tǒng)， STM32平臺的Contiki系統(tǒng)和WXR?1900D DDWRT固件自帶的Linux系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)之間通過USB轉(zhuǎn)串口通信。6LoWPAN邊緣路由器的軟件框架包括三個層次：傳輸層、協(xié)議層及CoAP應用層，傳輸層包括無線傳輸層與有線傳輸層。具體設計流程如下：

從有線傳輸層接收CoAP數(shù)據(jù)報文，對數(shù)據(jù)報文進行分段，并按照路由表的信息，通過無線傳輸層將CoAP數(shù)據(jù)報文發(fā)送到Web服務器；從無線傳輸層獲取服務器發(fā)送的CoAP數(shù)據(jù)報文，對CoAP數(shù)據(jù)報文進行恢復，并按照路由表的信息，通過有線傳輸層將數(shù)據(jù)報文發(fā)送到WSN節(jié)點。

3.3 Web服務器

用戶機想要直接訪問傳感節(jié)點可以使用火狐瀏覽器，在火狐瀏覽器上安裝插件Copper（Cu）后就可以直接在地址欄輸入要訪問的節(jié)點的IP地址和端口號即可。為了便于用戶直接用HTTP方式訪問，架設了Web服務器，具體流程如圖6所示。

圖6 Web服務器的設計流程圖

（1） Web服務器向某一特定區(qū)域為標識的傳感節(jié)點發(fā)出數(shù)據(jù)請求到邊緣路由器；

（2） 邊緣路由器將IPv6頭部按照事先的標準優(yōu)化壓縮成6LoWAPN頭部，并轉(zhuǎn)發(fā)到圖6中相應的6LoWAPN物聯(lián)網(wǎng)；

（3） CoAP消息由邊緣路由器轉(zhuǎn)發(fā)到最終物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點獲取權(quán)限范圍內(nèi)的區(qū)域標識信息。標識信息經(jīng)過步驟（1）～步驟（3）的反過程先到Web服務器，最終到達用戶機；

（4） 用戶機向Web服務器發(fā)起服務請求，通過獲取Web服務器發(fā)布服務說明的信息后，采用CoAP/HTTP方式向Web服務器進行服務調(diào)用；

（5） Web服務器收到用戶機發(fā)起的服務請求后，處理消息內(nèi)容，并把用戶機請求的數(shù)據(jù)格式及發(fā)送數(shù)據(jù)的方式回送給用戶機。

4 系統(tǒng)試驗驗證

在實驗室隨機設置一個節(jié)點，節(jié)點IPv6地址（FC00：：0212：4b00：053d：7789），該節(jié)點開啟了兩個任務，占用兩個端口，其中5683是CoAP使用的端口，12346端口做UDP傳輸用。邊緣路由器IPv6地址（FC00：：0212：4b00：0612：8e25），從校園網(wǎng)獲取IPv4地址（210.27.82.231）。傳感節(jié)點加入邊緣路由器創(chuàng)建的6LoWAPN網(wǎng)，如圖7所示。

為了方便用戶通過IPv4網(wǎng)絡訪問，在網(wǎng)關上做了NAT64轉(zhuǎn)換。測試機從校園網(wǎng)獲取IPv4地址（210.27.82.130），通過CoAP協(xié)議訪問，如圖8所示。

該試驗說明，6LoWAPN網(wǎng)絡搭建成功，在IPv4環(huán)境下用戶可以通過CoAP協(xié)議訪問邊緣路由器。IPv6環(huán)境下的測試方法相同，如果在IPv6環(huán)境下，用戶可以通過CoAP協(xié)議直接訪問傳感節(jié)點。

5 結(jié) 論

針對現(xiàn)有農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感系統(tǒng)在實際應用中存在的不足，實現(xiàn)了基于6LoWPAN和CoAP無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息傳感系統(tǒng)，本系統(tǒng)實現(xiàn)了WSN 與IPv4/IPv6網(wǎng)絡之間的點到點通信，用戶可以通過CoAP/HTTP方式訪問6LoWPAN網(wǎng)絡，進而對特定的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息進行采集或控制。本系統(tǒng)沒有開發(fā)專門的上位機軟件，如果結(jié)合上位機軟件將更加完美，這也是下一步課題研究的重點。

參考文獻

[1] YICK J， MUKHERJEE B， GHOSAL D. Wireless sensor network survey [J]. Computer networks， 2008， 52（12）： 2292?2330.

[2] 彭燕，何東健.基于ZigBee技術(shù)的果園生態(tài)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究，2009，31（4）：164?167.

[3] ZHANG Q， YANG X L， ZHOU Y M， et al. A wireless solution for greenhouse monitoring and control system based on ZigBee technology [J]. Journal of Zhejiang University， 2007， 8（10）： 1584?1587.

[4] AKYILDIZ I， SU W， SANKARASUBRAMANIAM Y， et al. Wireless sensor networks： a survey [J]. Computer networks， 2002， 46（4）： 1123?1130.

[5] 羅萬明，閻保平，晉銳，等.面向生態(tài)監(jiān)測的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡研制及應用[J].科研信息化技術(shù)與應用，2013（4）：58?67.

[6] 崔博涵.基于6LoWPAN的無線傳感網(wǎng)絡平臺的設計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2013.

[7] 向浩，李堃，袁家斌.基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡[J].南京理工大學學報，2010，34（1）：56?60.

[8] 李堃.基于6LoWPAN的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的研究與實現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學，2008.

[9] 謝希仁.計算機網(wǎng)絡[M].5版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[10] 付誠.基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡路由研究及實現(xiàn)[D].北京：北京郵電大學，2012.

[11] 朱曉榮，李鳳國.基于Contiki的6LoWPAN適配層的研究與實現(xiàn)[J].信息通信技術(shù)，2013（3）：66?70.

[12] 苑樂.無線傳感器網(wǎng)絡6LoWPAN路由協(xié)議設計與實現(xiàn)[D].北京：北京交通大學，2011.

[13] 劉保君.基于6LoWPAN協(xié)議的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究[D].北京：北京郵電大學，2014.

[14] 聞志平，李迅，李洪峻.無線傳感器網(wǎng)絡IPv6接入系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程，2010（3）：109?111.

[15] 王曉喃，殷旭東.基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學報，2011，26（10）：224?228.

[16] 魏燕達，周衛(wèi)星.基于6LoWPAN的智能家電監(jiān)測與控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（14）：101?104.

[17] 張凱婷，徐釗，張峰，等.基于6LoWPAN的礦井無線傳感器網(wǎng)絡適配層研究[J].工礦自動化，2012，38（6）：43?47.

[18] BORMANN C， CASTELLANI A P， SHELBY Z. CoAP： an application protocol for billions of tiny internet nodes [J]. IEEE Internet computing， 2012， 16（2）： 62?67.

[19] ZHOU J Y， CHEN J L， XUE B， et al. On the four axis aircraft design based on STM32 [J]. Journal of Qinzhou University， 2015， 30（2）： 30?33.

[20] DUNKELS A， GRONVALL B， VOIGT T. Contiki： a light?weight and flexible operating system for tiny networked sensors [C]// Proceedings of 2004 the 29th IEEE International Conference on Local Computer Networks. Sweden： IEEE， 2004： 455?462.

[21] 馬親民.專為物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)的開源操作系統(tǒng)Contiki[EB/OL].[2015?12?14].http：//blog.sina.com.cn/s/ blog_6de000c201010z7n.html.

[22] 湯春明，張熒，吳宇平.無線物聯(lián)網(wǎng)中CoAP協(xié)議的研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（1）：40?44.

[23] 黃忠.物聯(lián)網(wǎng)資源尋址和訪問方法研究[D].濟南：山東大學，2013.

[24] AISHWARYA V， FELIX ENIGO V S. IP based wireless sensor networks with Web interface [C]// Proceedings of 2011 IEEE International Conferences on Recent Trends Information Technology. India： IEEE， 2011： 462?466.