文 /梁金榮 胡亞?wèn)| 馬應(yīng)蓮 何輝
信息機(jī)房的動(dòng)力環(huán)境參數(shù)對(duì)于信息系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、可靠性具有舉足輕重的作用,對(duì)信息機(jī)房的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是IT運(yùn)維的重要任務(wù)。傳統(tǒng)的IT動(dòng)環(huán)系統(tǒng)多采用“傳感器/變速器-儀器儀表-PC專(zhuān)家系統(tǒng)”的有線集中模式,系統(tǒng)龐大、成本高昂、準(zhǔn)確性較差、實(shí)施困難,利用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)能夠有效解決傳統(tǒng)方式的這些問(wèn)題,這也成為IT動(dòng)環(huán)系統(tǒng)研究和發(fā)展的方向之一。
本系統(tǒng)利用IPv6網(wǎng)絡(luò),基于6LoWPAN(面向低功耗無(wú)線局域網(wǎng)的IPv6)和無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)IT動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要包括監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)、6LoWPAN傳感網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)測(cè)主機(jī)(監(jiān)測(cè)中心)三部分。系統(tǒng)主要研究6LoWPAN在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用、IPv6網(wǎng)絡(luò)與無(wú)線傳感網(wǎng)的融合、傳感數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè),擬實(shí)現(xiàn)的功能有:配電系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、機(jī)柜溫濕度監(jiān)測(cè)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)、燈光照明控制、人員紅外監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程報(bào)警等,設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)中心服務(wù)程序,通過(guò)IPv6網(wǎng)絡(luò)部署并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)測(cè)。
系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相互通信的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)環(huán)境系數(shù)的測(cè)量,以突出6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì),6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)具有其他無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì),即布置簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、功耗低、成本低的優(yōu)勢(shì),可以在沒(méi)有任何基礎(chǔ)設(shè)施做鋪墊的情況下實(shí)現(xiàn)微型設(shè)備互聯(lián),并且可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定方便的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分來(lái)完成,即6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分,這兩部分通過(guò)串口通信的方式來(lái)通信,最終實(shí)現(xiàn)了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題,6LoWPAN平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于Contiki操作系統(tǒng)的6LoWPAN實(shí)現(xiàn)
1.事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制與Protothreads機(jī)制
事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制和Protothreads機(jī)制都是Contiki操作系統(tǒng)的兩個(gè)主要機(jī)制,事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制是為了降低功耗,Protothreads機(jī)制是為了節(jié)省內(nèi)存。其實(shí)嵌入式系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來(lái)是為了響應(yīng)周?chē)h(huán)境的變化,我們把這一個(gè)個(gè)變化可以看做一個(gè)個(gè)事件,當(dāng)事件發(fā)生時(shí)通過(guò)操作系統(tǒng)就可以處理這些事件,當(dāng)事件沒(méi)有發(fā)生時(shí),也就是處于空閑狀態(tài)時(shí),那么此時(shí)嵌入式系統(tǒng)會(huì)處于休眠狀態(tài),可以降低功耗,我們把這個(gè)過(guò)程就叫做事件驅(qū)動(dòng),就相當(dāng)于中斷一樣。
傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)是通過(guò)棧保存進(jìn)程上下文的,不同的進(jìn)程需要不同的棧進(jìn)行保存,由于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存很有限,所以傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)不適用于傳感器設(shè)備。要解決在有限內(nèi)存的情況下保存進(jìn)程上下文,可以使用 Protothreads機(jī)制,通過(guò)保存進(jìn)程被阻塞處的行數(shù)(進(jìn)程結(jié)構(gòu)體的一個(gè)變量,unsiged short類(lèi)型,只需兩個(gè)字節(jié)),從而實(shí)現(xiàn)進(jìn)程切換,當(dāng)該進(jìn)程下一次被調(diào)度時(shí),通過(guò)switch(_LINE_)跳轉(zhuǎn)到剛才保存的點(diǎn),恢復(fù)執(zhí)行。整個(gè)Contiki只用一個(gè)棧,當(dāng)進(jìn)程切換時(shí)清空,大大節(jié)省了內(nèi)存。
Protothreads機(jī)制的最大特點(diǎn)就是輕量級(jí),每個(gè)Protothreads不需要自己的堆棧,所有的Protothreads使用同一個(gè)堆棧,而保存程序斷點(diǎn)用兩個(gè)字節(jié)保存被中斷的行數(shù)即可,即Protothreads機(jī)制的RAM很小,沒(méi)有額外的堆棧。是完全用C語(yǔ)言編制的,沒(méi)有匯編和其他語(yǔ)言??梢允褂貌僮飨到y(tǒng)也可以不使用操作系統(tǒng)。Protothreads機(jī)制出現(xiàn)已經(jīng)很早了,只是Contiki OS中應(yīng)用了這種機(jī)制,此外它還可以應(yīng)用到許多情形中。在使用Protothreads機(jī)制時(shí)需注意,因其沒(méi)有保存堆棧上下文,所以沒(méi)有保存局部變量。那么怎樣使用局部變量呢?我們只能夠?qū)⒕植孔兞慷x為局部靜態(tài)變量,在這種情況下該變量才會(huì)在整個(gè)生命周期中都存在。
2.定時(shí)器
Contiki 提供了四種不同的定時(shí)器,同時(shí)也提供了定時(shí)器初始化、復(fù)位、重啟和檢查的相應(yīng)函數(shù)。第一種是只能保存此時(shí)定時(shí)的時(shí)間長(zhǎng)短的簡(jiǎn)單定時(shí)器。第二種是當(dāng)定時(shí)的時(shí)間到了的時(shí)候能夠生成相應(yīng)的定時(shí)器事件,之后把這個(gè)事件發(fā)送到初始化對(duì)應(yīng)的定時(shí)器的進(jìn)程中。第三種定時(shí)器叫做回調(diào)定時(shí)器,主要是當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)開(kāi)始調(diào)用特定的函數(shù)。第四種就是實(shí)時(shí)定時(shí)器,專(zhuān)門(mén)在特定的時(shí)間段里調(diào)用已經(jīng)指定的函數(shù)。
3.微型通信協(xié)議棧uIP
uIP是TCP/IP的微型協(xié)議棧,其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)程序庫(kù),庫(kù)中主要是TCP/IP的最小配置,其中有UDP(用戶(hù)協(xié)議報(bào)協(xié)議)、TCP(傳輸控制協(xié)議)、IP、ICMP協(xié)議等。程序是用C語(yǔ)言寫(xiě)的,沒(méi)有其他的語(yǔ)言。uIP被設(shè)計(jì)出來(lái)是為了解決采用TCP/IP機(jī)制的嵌入式設(shè)備之間通信的。不管是在多任務(wù)操作系統(tǒng)中還是在一個(gè)單任務(wù)系統(tǒng)中,uIP都可以在其中運(yùn)行。在TCP/IP協(xié)議中是按分層設(shè)計(jì)的,層與層之間的接口的定義較為嚴(yán)密,在實(shí)現(xiàn)uIP時(shí)為了減少代碼的數(shù)量,層與層之間進(jìn)行了充分的耦合。
4.輕量級(jí)通信協(xié)議棧Rime
Rime協(xié)議棧是專(zhuān)門(mén)為WSN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的,是為了使得WSN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議得到簡(jiǎn)化,代碼重用,所以它屬于輕量級(jí)通信協(xié)議棧,同時(shí)它也是層次型協(xié)議棧。Rime協(xié)議棧的優(yōu)點(diǎn)是可以把復(fù)雜的協(xié)議分解成多個(gè)簡(jiǎn)單的協(xié)議。其支持單跳和多跳通信原語(yǔ),通信原語(yǔ)與通信原語(yǔ)之間存在著層次關(guān)系,可以從簡(jiǎn)單的匿名廣播到Mesh網(wǎng)絡(luò)路由。
5.模擬器Cooja
Cooja是Contiki操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模擬器。在模擬器Cooja上可以進(jìn)行大型Contiki節(jié)點(diǎn)和小型Contiki節(jié)點(diǎn)的仿真。節(jié)點(diǎn)可以在硬件層面進(jìn)行仿真,速度有些慢,但可以精確檢測(cè)系統(tǒng)的行為,或在一個(gè)不太詳細(xì)的層面上,速度會(huì)更快,并允許更大的網(wǎng)絡(luò)仿真。仿真通過(guò)后才下載到節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行實(shí)際測(cè)試,有利于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題,減少調(diào)試工作量。
(1)啟動(dòng)Cooja
開(kāi)啟虛擬機(jī)后,雙擊虛擬機(jī)桌面的Cooja快捷方式,啟動(dòng)Cooja。也可以通過(guò)打開(kāi)終端窗口輸入cd contiki/tools/cooja命令轉(zhuǎn)到Cooja目錄,再輸入Cooja啟動(dòng)命令ant run按回車(chē)鍵的方式打開(kāi)Cooja。
(2)Cooja的編譯過(guò)程
Cooja在第一次啟動(dòng)時(shí)需要進(jìn)行自身編譯,編譯完成后會(huì)彈出一個(gè)藍(lán)色的窗口。
(3)Cooja的仿真過(guò)程
單擊File菜單,并單擊New simulation之后打開(kāi)了Create new simulation對(duì)話(huà)框。在該對(duì)話(huà)框中,可以選擇給仿真創(chuàng)建一個(gè)新名字,后點(diǎn)擊creat按鈕,這樣就創(chuàng)建了一個(gè)新的仿真;屏幕的左上角是Network窗口,顯示所有模擬網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),如果沒(méi)有仿真的節(jié)點(diǎn),窗口是空的。在屏幕的底部有Timeline窗口,在該窗口中會(huì)顯示仿真中隨著時(shí)間推移的所有通信事件,方便理解網(wǎng)絡(luò)中到底發(fā)生了什么;Mote output窗口在屏幕的右邊,顯示所有節(jié)點(diǎn)的所有串口打印輸出;Notes窗口在屏幕右上角,可以對(duì)仿真進(jìn)行備注;在Simulation control窗口中,可以進(jìn)行開(kāi)始、暫停和重新加載操作。
基于CoAP協(xié)議的6LoWPAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
CoAP的請(qǐng)求和響應(yīng)在發(fā)送之前不需要事先建立連接,而是通過(guò)CoAP信息來(lái)進(jìn)行異步信息交換,CoAP協(xié)議使用UDP進(jìn)行傳輸。CoAP采用和HTTP協(xié)議相同的請(qǐng)求響應(yīng)工作模式,CoAP協(xié)議共有4種不同的消息類(lèi)型:
1.CON:需要被確認(rèn)的請(qǐng)求,如果CON請(qǐng)求被發(fā)送,那么對(duì)方必須做出響應(yīng);
2.NON:不需要被確認(rèn)的請(qǐng)求,如果NON請(qǐng)求被發(fā)送,那么對(duì)方不必做出回應(yīng);
3.ACK:應(yīng)答消息,如果接收到CON消息的響應(yīng);
4.RST:復(fù)位消息,當(dāng)接收者接收到的消息包含一個(gè)錯(cuò)誤,接收者解析消息或者不再關(guān)心發(fā)送者發(fā)送的內(nèi)容,那么復(fù)位消息將會(huì)被發(fā)送。
雖然CoAP協(xié)議目前還在制定當(dāng)中,但是在Contiki嵌入式操作系統(tǒng)已經(jīng)支持CoAP協(xié)議。在客戶(hù)端安裝有可以實(shí)現(xiàn)CoAP協(xié)議的上位機(jī)監(jiān)測(cè)端,通過(guò)CoAP協(xié)議搜索所需要的信息,就可以得到無(wú)線傳感網(wǎng)上傳的信息。整個(gè)設(shè)計(jì)有三個(gè)節(jié)點(diǎn),其中核心是6LBR節(jié)點(diǎn),在整個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)中它相當(dāng)于邊緣路由器,又相當(dāng)于6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。第二、三個(gè)節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于CoAP協(xié)議的服務(wù)器節(jié)點(diǎn),其通過(guò)邊緣路由器節(jié)點(diǎn)可以把采集到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)監(jiān)測(cè)端,CoAP消息結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 CoAP消息結(jié)構(gòu)
6LBR網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
6LBR網(wǎng)關(guān)是本系統(tǒng)的邊緣路由器,也是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)。6LBR網(wǎng)關(guān)使得WLAN(IPv6)與一個(gè)WSN(6LoWPAN)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)RPL路由連接起來(lái)就形成了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。以6LoWPAN開(kāi)發(fā)板為基礎(chǔ),在Contiki操作系統(tǒng)上運(yùn)行6LBR應(yīng)用程序和UDP服務(wù)器程序,這樣就可以構(gòu)成IPv6和IEEE802.15.4協(xié)議之間的一個(gè)適配層,可以使得兩種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)互通。RPL路由執(zhí)行覆蓋NDP的功能,在NDP功能的基礎(chǔ)上又做了很大的改進(jìn)。Contiki實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)僅僅只使用一個(gè)接口所以引進(jìn)了數(shù)據(jù)包過(guò)濾器??梢园岩蕴W(wǎng)數(shù)據(jù)包和6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包分離開(kāi),然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。6LBR路由原型如圖3所示,兩個(gè)數(shù)據(jù)過(guò)濾原理如圖4所示。
根據(jù)6LBR網(wǎng)關(guān)所要實(shí)現(xiàn)的功能,在程序中設(shè)計(jì)了七個(gè)進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程有自己特定的功能,Web服務(wù)器進(jìn)程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Web的訪問(wèn)。UDP服務(wù)器進(jìn)程和UDP客戶(hù)端進(jìn)程是相對(duì)的,計(jì)算機(jī)是UDP客戶(hù)端,6LBR網(wǎng)關(guān)就是UDP服務(wù)器端,通過(guò)客戶(hù)端就可以訪問(wèn)服務(wù)器端。所以整個(gè)過(guò)程的核心就是CETIC_6LBR路由及網(wǎng)關(guān)處理。
圖3 6LBR路由原型
圖4 兩個(gè)數(shù)據(jù)過(guò)濾原理
測(cè)試平臺(tái)的組建
采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于Contiki3.0 操作系統(tǒng)的SM14Z2538DK3嵌入式6LoWPAN開(kāi)發(fā)套件。該套件包含三個(gè)CC2538節(jié)點(diǎn)、一個(gè)ENC28J60以太網(wǎng)接口模塊、三個(gè)電源適配器、三個(gè)USB轉(zhuǎn)串口模塊。任何一個(gè)CC2538節(jié)點(diǎn)與ENC28J60以太網(wǎng)接口模塊連接都可以作為邊緣路由器,測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D5所示,各節(jié)點(diǎn)IPv6地址見(jiàn)表1。
操作系統(tǒng)軟件采用的是Ubuntu開(kāi)發(fā)平臺(tái),在虛擬機(jī)中裝有InstantContiki2.7嵌入式操作系統(tǒng),同時(shí)在虛擬機(jī)中安裝了JLink_Linux,用于生成.bin可執(zhí)行文件和給6LoWPAN節(jié)點(diǎn)中下載程序。
6LBR網(wǎng)關(guān)測(cè)試
6LBR是6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)邊緣路由器,它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中起著適配的作用,是IEEE802.15.4協(xié)議和IPv6相互的連接層。6LoWPAN節(jié)點(diǎn)和ENC28J60以太網(wǎng)接口模塊連接,通過(guò)路由器再與計(jì)算機(jī)相連,就形成了整個(gè)路由網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)計(jì)算機(jī)管理員命令窗口,輸入ping命令,對(duì)6LBR網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,輸入ipconfig命令查看計(jì)算機(jī)IP地址配置。6LBR在串口上顯示的數(shù)據(jù)如圖6所示。串口上顯示了SM14Z2538開(kāi)發(fā)板的信息、6LoWPAN邊緣路由器節(jié)點(diǎn)的IPv6地址以及6LBR路由執(zhí)行信息等。
圖5 測(cè)試環(huán)境網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>
表1 SM14Z2538開(kāi)發(fā)板與USB轉(zhuǎn)串口引腳連線說(shuō)明
圖6 6LBR在串口上顯示的數(shù)據(jù)
圖7 CoAP服務(wù)器及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)上傳的溫度數(shù)據(jù)
圖8 CoAP服務(wù)器及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)上傳的濕度數(shù)據(jù)
CoAP協(xié)議及溫濕度采集測(cè)試
CoAP服務(wù)器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與6LBR邊緣路由器進(jìn)行通信,所用的協(xié)議是IEEE802.15.4。將溫濕度傳感器模塊與SM14Z2538開(kāi)發(fā)板連接,在計(jì)算機(jī)上安裝火狐瀏覽器,并安裝Copper插件,連接CoAP服務(wù)器及溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。通過(guò)計(jì)算機(jī)管理員窗口輸入ping -6 aaaa::212:4b00:5af:81a1命令查看CoAP服務(wù)器及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)1網(wǎng)絡(luò)連接情況,輸入ping -6 aaaa::212:4b00:5af:8269命令,查看CoAP服務(wù)器及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)2網(wǎng)絡(luò)連接情況,網(wǎng)絡(luò)保持連接狀態(tài)。
在瀏覽器中輸入6LBR網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的IP地址[bbbb::100]就會(huì)在Web網(wǎng)頁(yè)上顯示6LBR網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的配置信息,包括版本號(hào)、路由信息及IP地址信息等,鄰居發(fā)現(xiàn)的傳感器節(jié)點(diǎn)的信息以及網(wǎng)絡(luò)信息等。打開(kāi)火狐瀏覽器,在地址欄輸入:coap://[aaaa::212:4b00:5af:81a1]:5683,然后點(diǎn)擊ping按鈕,會(huì)顯示收到應(yīng)答消息,RTT時(shí)間為55ms(數(shù)據(jù)從電腦經(jīng)過(guò)路由器、CC2538邊界路由、到達(dá)節(jié)點(diǎn)、再返回的時(shí)間)。輸入coap://[aaaa::212:4b00:5af:81a1]:5683/config?param=ip,點(diǎn)擊GET,可以獲得默認(rèn)的IP地址輸入coap://[aaaa::212:4b00:5af:81a1]:5683/config?param=path,可以獲得默認(rèn)路徑,設(shè)計(jì)主要目的是在火狐瀏覽器中通過(guò)CoAP協(xié)議查看實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù),如圖7和圖8所示,CoAP服務(wù)器及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)串口顯示數(shù)據(jù)如圖9所示。
在計(jì)算機(jī)終端,打開(kāi)軟件 sokit.exe,點(diǎn)擊 UDP偵聽(tīng)(計(jì)算機(jī)終端與邊界路由在同一個(gè)IP段里)。可以看到圖10顯示了計(jì)算機(jī)終端的地址與連接的對(duì)象,如果有多個(gè)節(jié)點(diǎn)加入,則會(huì)顯示多個(gè)連接對(duì)象。收發(fā)記錄則顯示了節(jié)點(diǎn)向邊界路由發(fā)送的消息。
物聯(lián)網(wǎng)需要更多的設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò),技術(shù)上必須有所突破,采用6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)是目前比較明智的選擇,6LoWPAN的優(yōu)越性是其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)無(wú)法比擬的,同時(shí)也為IPv6網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供了機(jī)遇。基于IPv6物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將微型嵌入式設(shè)備連入網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4協(xié)議與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互通。以CC2538SF53為主控核心,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、監(jiān)控等。應(yīng)用6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)大大降低了網(wǎng)絡(luò)連接的難度,6LBR路由技術(shù)給6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)提供了可靠的支持,所以微型嵌入式設(shè)備連接入網(wǎng)路由方面比較穩(wěn)定,而且使用了上位機(jī)監(jiān)控軟件和應(yīng)用層協(xié)議,大大提高了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用性和可推廣性。
圖9 CoAP服務(wù)器及溫濕度采集節(jié)點(diǎn)串口數(shù)據(jù)
圖10 UDP偵聽(tīng)數(shù)據(jù)結(jié)果
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