6LoWPAN技术在智能家居系统中的应用与实现

付 蔚，王炳鹏

（重庆邮电大学 工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065）

在物联网世界的今天，无线传感网络技术的应用日益广泛，涉及了各行各业。6LoWPAN技术是一项新型的无线传感网络技术，它能够实现嵌入式节点设备的网络组网、数据分发等功能，同时与目前无线传感模块相比，它可谓是正真意义上实现了节点模块的IP化，嵌入式设备IP化意味着嵌入式节点设备与目前互联网世界的融合，这项技术的引入极大地推进了物联网技术的发展。智能家居作为物联网世界发展的一部分，利用6LoWPAN技术实现家庭与网络的互联，使用户在未来的生活中，能够更舒适、更方便、更安全地享受生活。

1 6LoWPAN技术研究

6LoWPAN也是无线传感网络中的一员，它的提出是在2004年的IEEE 802.15.4标准设计中，其低功率的特性使得它能够移植到各种手持器和仪器设备中。由于目前互联网中的IP地址已经快要耗尽，而物联网时代的到来使得需要更多的地址空间，因此IPv6应运而生，由于IPv6协议栈过于庞大，数据分发包的量也非常大，因而无法移植进入无线传感网下的节点设备，而6LoWPAN技术是发明一种将IP包头压缩到只传送必要内容的小数据包中的方法。目前无线传感网组网方式可以分为链形、星形、树形、环形和网孔形[1-2]。在Contiki平台下的6LoWPAN技术目前支持星形组网和网状组网。如图1所示为6LoWPAN下的网状组网模式。

其中上述Node Device表示子节点设备，Router表示路由器，Border-Router表示边界路由器，Communication Flow表示数据流。

图16LoWPAN组网模式Fig.1 6LoWPAN networking mode

2 基于6LoWPAN的智能家居系统架构

目前智能家居无线组网系统采用6LoWPAN协议作为整个系统的通信网络架构，6LoWPAN协议有着低功耗、高传输速率、低成本等特点，并且6LoWPAN协议能够融入目前的IPv6网络协议，从未来传感网发展趋势上来看，6LoWPAN必将占有一席之地。在6LoWPAN无线通信技术下的无线组网系统主要分为3个大的部分：子节点、路由设备和边界路由器设备[3-4]。上述3者框架如图2所示。

图2 基于6LoWPAN的智能家居系统框架Fig.2 Frame of the Smart home system based on 6LoWPAN

3 家庭通信节点的硬件电路设计

主控电路核心是采用CC2530模块，CC2530采用德州仪器生产技术，是一款基于2.4 GHz的片上系统解决方案，易于建立基于IEEE802.15.4标准协议上的多种协议。内嵌一款工业级的8051核心芯片，并且增加高效的射频芯片，专门用于无线模式下的通信[5]。节点选用锂电池进行供电，Max1555芯片是专门为锂电池充电的一款芯片。锂电池供电是3.7 V，而CC2530模块供电采用3.3 V，并且可能在锂电池充电或放电时造成电压不稳，因此不能直接用锂电池进行整个电路的供电，需要接入一款稳压芯片。这里采用Max8881芯片作为电压转换芯片，可将电压输出调节到一般常用的电压信号1.8 V，2.5 V，3.3 V和5 V[6]。为了稳定电流输出，防止信号波动导致接收或发送数据出现错误，增加通信的传输距离，设计了外围天线电路。通信节点电路如图3所示。

图3 家庭通信节点电路Fig.3 Circuit diagram of family communication node

4 家庭通信节点的软件设计

在无线通信模块程序设计中，主要是完成智能家居中的各个家电设备模块的数据与网关之间的数据交换过程，整个系统包含了客户端和服务端。类似于以太网socket通信中的UDP协议，系统中通信架构模式需要一个服务端和一个客户端构建，构建方式为l_conn和g_conn两种方式，l_conn建立连接时需要经过路由才能够通信，g_conn建立连接无需路由即可实现通信。如图4所示，给出了整个通信的架构，首先服务器端和客户端的Contiki平台需要进行内部的资源初始化，rime底层协议栈初始化，串口初始化，并进行相对应的网络初始化，然后建立节点的服务端，并进行串口和网络的监听，构建起服务端和子节点数据通信的桥梁，服务端同时也进行串口和网络的监听，构建起子节点模块和网关之间的数据通信桥梁，从而使得整个智能家居系统可以形成一套完整的网络体系，上层的终端设备可以很容易获取下层设备的数据信息，同时对下层设备进行相应的调节控制，达到智能化家庭的效果。

5 系统仿真与测试

5.1 系统仿真

在Cooja仿真平台下打开已经编译好的sky-ipv6-rpl-collect.csc仿真文件，对Simulation control执行全速运行，可以看到下面所有节点已经被分配好相应的IP地址，并且节点开始不断向周围相邻节点进行数据的发送，呈现网状结构的发送模式，且观察3号通信节点，可以发现3号通信节点通信的范围为绿色范围内的节点，超出绿色范围的节点是接收不到3号通信节点数据的。如图5为整个通信的全过程。

图4 无线通信软件设计总体流程Fig.4 Overall flow chart of wireless communication software design

图5 通信过程演示Fig.5 Communication process demonstration chart

5.2 系统测试

5.2.1 高低温测试

根据标准GB/T 2423.1-2001《电工电子产品的基本环境试验规范》[7]。需要对无线通信设备进行高低温测试。在无线通信节点的高低温测试中，由于在程序中设定1 min发送一次数据，故采用1 h定时抓包的方法来测试设备的工作情况，同时观察设备外观是否有损坏。为了降低测试箱以及通信距离对丢包率的影响，将测试距离设定在5 m以内。如表1所示的测试结果，可以得出设备在高温50℃时，处于临界工作状态，外壳已经有少许破损，在60℃已经不能正常工作；在低温-10℃时，设备的丢包率出现明显的提升。所以通信节点设备的正常工作温度范围为-10℃～50℃，符合标准GB/T 2423.1-2001《电工电子产品的基本环境试验规范》条款6所规定的户内用仪表工作温度范围-5℃～45℃的要求[8]。

表1 高低温测试丢包率对比Tab.1 Comparison of packet loss rate in high and low temperature test

5.2.2 功耗测试

无线通信模块采用电池供电的方式进行供电，在实际应用中，无线通信模块的功耗显得十分的重要，就目前发展的趋势来看，降低这类设备功耗仍然存在着很很大的问题，这也是目前急需解决的难点问题之一。如表2所示即可了解无线通信设备的功耗消耗情况。锂电池容量为1100 mAh，经计算，在电池充满电的情况下工作时间大概在35～48 h之间。

表2 功耗测试对比Tab.2 Power consumption test

5.2.3 通信距离测试

在家庭环境中，无线传感网络系统的传输距离是一个重要的指标，通过不同的传输距离测量网络的丢包率，可以得出网络的传输距离。在智能家居环境中，分别测试室温下 50 m，70 m，100 m，130 m，150 m 的通信距离下的丢包率，测试记录如表3所示。测试结果表明70m以内的通信不存在丢包情况，通信延迟也能满足通讯要求。100 m以外存在明显的丢包情况，但在家庭环境中这些情况已经可以忽略考虑了。

表3 通信距离丢包率测试对比Tab.3 Comparison of packet loss rate in communication distance test

5.2.4 射频穿透性测试

在某些特殊情况下，在家庭内部使用6LoWPAN传感网系统可能需要穿过墙或者门，在此情况下需要对通讯系统进行穿透性测试。如表4所示为节点与路由穿墙性能测试。测试结果可以得出，1到2道墙之间的穿透性非常好，几乎可以达到不丢帧的情况，但是在3道墙穿墙性能测试中发现丢包率大大增加，在某些家庭环境内，如果存在3道墙，则需要加入一道路由进行数据转发以确保数据的完整性。

表4 穿透性测试Tab.4 RF penetration test

6 结语

经过长时间的运行与测试，该基于6LoWPAN的无线通信系统功能基本稳定，能够满足家庭的一体化需求。从物联网长远的发展角度来说，设备和系统还需要进一步的改进，不断完善和优化相关的软件。

[1]宗学军，宋国库，陈斌，等.基于无线传感器网络的楼宇环境监测系统设计[J].自动化与仪表，2011，26（4）：23-26.

[2]闫海英，黄波，王晓喃.基于6LoWPAN无线传感网络的电梯监控系统研究[J].制造业自动化，2013（9）：62-63.

[3]张恒升.IPv6与IEEE802.15.4网络结合的发展现状[J].电信网技术，2010（5）：13-15.

[4]陈小红.6LoWPAN协议栈一致性测试系统研究与实现[D].上海：华东师范大学，2006.

[5]Chipcon.CC2430 A True System on Chipsolution for 2.4GHz IEEE802.15.4/Zigbee[EB/OL].（2007-06-06）[2010-08-01].http：//www.chipcon.com.

[6]Chipcon.Max8881.Maxim Integrated Product[EB/OL].www.maximic.com.

[7]Protothreads.Lightweight，Stackless Threads in C[EB/OL].http：//www.sics.se/～adam/pt/.

[8]GB/T 2423.1-2001电工电子产品的基本环境试验规范[S].北京：中国标准出版社，2001.