基于IPv6的无线传感网络设计

李亚明　刘陈　王辰　刘奇　刘德明

摘 要：无线传感网络接入互联网需要海量地址，将IPv6技术用于无线传感网络可解决地址资源不足的问题。论文采用具有6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）协议栈的Contiki嵌入式操作系统进行传感节点设计；开发了支持6LoWPAN协议栈的IPV4/IPV6双栈边缘路由器，完成传感节点数据向以太网的转发；在教育网IPv6环境下搭建了基于IPv6的无线传感网络系统，并进行了测试。测试结果表明，所设计无线传感器、边缘路由器均支持基于6LoWPAN通信协议，通过浏览器可远程访问IPv6传感节点并能通过管理服务器获取实时采样数据。

关键词：IPv6 ；6LoWPAN ；无线传感网络；Contiki；远程访问；实时

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-03

0 引 言

传感网络技术作为物联网的核心技术之一，一直是国内外研究热点，其中无线传感网络部署简单、维护方便，成本低，相对有线传输更具有灵活性，在环境监测、农业管理、医疗、及工业监控等多方面具有广泛应用前景。

目前大多数无线传感网络都不是基于IP的网络架构，要想使传感节点接入IP网络，必须要专门设计一个支持其他私有协议的转换网关，由于网关固有的复杂性，协议转换过程中很可能会破坏双方的网络模型，在大规模网络部署后的网络管理与故障检查方面会有很多不足。端到端IP网络架构网络层采用IP技术，具有很好的互通性与稳定性，应用层可以支持多样性的需求，相对传统网关具有很多优势，支持端到端IP架构的传感网络是未来迎接大规模可控传感网络的潜在发展方向。

但以IP做基础的无线传感网络规模化应用面临两个问题：IPv4地址枯竭与传感节点成本限制。要无限地延伸网络边界，实现全网络融合与通信，开展全网络协同服务，必须要使全网系统中最基础层的被标记物具有网络IP地址；传统IPv4地址资源即将枯竭，而IPv6协议具有充足的地址空间，可为需要海量地址的物联网服务[1，2]。另一方面，无线传感网络节点要求体积小且成本低，并且多部署在不易取电的位置，这就要求传感节点内存资源有限，且工作低功耗[3]。

为此，结合低功耗802.15.4数据链路层和物理层协议及IPv6网络层协议的6LoWPAN （IPv6 over Low Power wireless Area Network）协议栈被提出，通过6LoWPAN适配层对IPv6数据包进行分片和重组，完成IPv6网络层与802.15.4物理层的融合[4-6]。Contiki是专为内存受限的硬件平台开发的操作系统，该系统开源且集成了6LoWPAN协议栈 [7]。

论文将采用具有6LoWPAN协议栈的Contiki嵌入式操作系统进行传感节点设计；研制支持6LoWPAN协议栈的IPV4/IPV6双栈边缘路由器，完成传感节点数据向以太网的转发；在教育网IPv6环境下搭建基于IPv6的无线传感网络系统进行测试。

1 IPv6传感网络总体设计

在教育网IPv6环境下构建如图1所示的无线传感网络。

无线传感网络由IPv6传感节点、IPv6路由、管理服务器所构成。本设计中，无线传感节点采集环境的温度、湿度与光照度信息。

图1 IPv6无线传感网络架构

基于6LoWPAN传感节点与IPv6主机间的3层路由过程如图2所示。传感器感知环境温、湿度以及光照等信息，将数据传给节点的主芯片，在主芯片内完成对数据包的处理，经过6LoWPAN适配层的头压缩，将数据以802.15.4数据包格式发送出去，6LoWPAN无线网卡上射频芯片接收数据包，在网卡主芯片完成6LoWPAN适配层重组，再经过通用串行总线接口将数据转发到路由器，通过路由器以802.3协议规定转发到IPv6以太网络中。整个过程经过IPv6传感网关完成IPv6分组的压缩和解压缩，执行6LoWPAN短地址与IPv6地址的映射，实现了传感网络与IP网络的融合。

图2 传感网络结构分层示意图

下面将分别对IPv6传感节点和IPv6传感网关进行说明。

2 IPv6传感节点设计

传感节点功能示意图见图3，主要分为主控及通信控制模块、数据采集模块、RF通信模块及射频天线单元等几部分。

主控模块采用Atmel 1284P作为主芯片，采用支持6LoWPAN协议栈的Contiki作为操作系统。通过Contiki为传感节点分配IPv6地址。传感器选择SHT11温、湿度传感器以及光敏电阻。节点射频部分采用Atmel的AT86RF231，通过同步串行与主芯片通信。节点天线电路采用两个SMA转接头外置，利用Johanson公司的2450BM15A0002平衡滤波器芯片实现射频通信芯片输出差分信号转变为单端信号。

图3 IPv6传感节点功能示意图

3 支持IPv4/IPv6双栈的传感网络网关设计

传感网络网关由两部分构成，一部分是IPv6无线网卡，另一部分是基于OpenWRT的IPv6边缘路由器。

IPv6无线网卡在IPv6边缘路由器与传感节点间起桥接作用，它同样采用Contiki作为操作系统，内置6LoWPAN协议栈，通过6LoWPAN适配层对IPv6报文分片与重组。

IPv6无线网卡的功能示意图如图4。主要分为主控模块，射频通信模块和射频天线三部分。主控模块芯片采用Atmel公司的AT90USB1287，射频模块芯片同样采用Atmel的AT86RF231，天线采用Antenova公司的小尺寸2.4 GHz贴片天线A5839。

图4 IPv6无线网卡功能示意图

IPv6无线网卡与传感节点均采用Contiki作为操作系统，通过一系列进程完成数据的收发。

IPv6边缘路由器利用市面上已有的基于OpenWRT的IPv4路由器进行开发。首先，基于OpenWRT的编程将IPv4路由器升级，使其同时支持IPv4/IPv6双栈，完成6LoWPAN IPv6传感网络的数据转发；其次，开发基于USB的IPv6网卡驱动，可以识别传感网络的数据包，并通过路由器Linux内核转发数据包，实现传感网络与互联网的互通。

图5为边缘路由器驱动实现示意图。整个驱动分两个部分，一个是USB驱动，实现USB控制器对插入无线网卡的识别，进行数据传输；另一个是对网络的驱动，即实现对6LoWPAN协议栈的支持和IPv6数据包的转发。通过对Linux内核的系统资源配置，实现上述功能。

图5 边缘路由器驱动实现示意图

4 性能测试

依托CERNET2华中地区主干网华中科技大学子网，在下一代互联网国家工程实验室按照图1搭建IPv6联网系统。通过Contiki对节点与网卡分配IPv6地址，6LoWPAN无线网卡地址：2001：250：4000：4407：：1；传感节点地址2001：250：4000：4407：：1d。地址分配如图6所示。

图6 IPv6联网地址分配示意图

通过天津教育网对IPv6无线网卡进行网络连通性测试， ping网卡地址结果如图7所示，在远端能得到网卡的回复报文，网络线路连通正常。

图7 IPv6无线网卡连通性测试结果

测试IPv6传感节点的网络连通性，天津教育网Ping节点地址如图8所示，同样可以看到，节点收到发来的数据包并且回复响应的报文，从客户远端到节点网络是正常连通的。

图8 6LoWPAN传感节点连通性测试结果

客户终端在管理服务器通过传感节点的编号即传感节点IPv6地址查找特定传感节点，可以远程配置传感节点的采样时间与采样间隔，实时查看传感节点采集环境信息如图9所示。

图9 通过管理服务器远程查看传感节点数据

5 结 语

本文将IPv6技术应用于无线传感网络，采用具有6LoWPAN协议栈的Contiki嵌入式操作系统开发IPv6传感节点和IPv6无线网卡，研制了支持6LoWPAN协议栈的IPv4/IPv6双栈边缘路由器。在教育网IPv6环境下的测试表明：传感节点及边缘路由器均支持基于6LoWPAN通信协议，在开发的物联网管理平台上可实现对IPv6传感节点的远程管理与控制。

参考文献

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[2] 蒋林涛.互联网与物联网[J].电信工程技术与标准化，2010（2）：1-5.

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