关于ZigBee与6LoWPAN网络无缝融合的研究

王国隽

摘 要：ZigBee网络由于其简单、灵活等优点，被广泛应用在各种工商业场所，是一种较为成熟的低速率短途无线组网技术；6LoWPAN作为一种支持IPv6协议的无线传感器网络，在实现各类手持设备到接入网络的过程中，其数据加密级别以及与各种网络设备和应用软件的兼容性是其他工业无线通信机制所无法比拟的。文章针对这两种差别较大的异构网络之间自由通信问题进行研究，设计了两种协议间的转换模型，实现了两种异构无线传感器网络之间的点对点通信。

关键词：ZigBee；6LoWPAN；异构网络

1 概述

近年来，物联网发展迅速，而作为物联网的核心组件，无线传感器网络在实现物联网感知层协议中起到了至关重要的作用。由于无线传感器网络的针对性较强，因此目前已发展出多种协议，如ZigBee、6LoWPAN、RFID等，随着物联网覆盖范围的不断增加，解决这些异构网络之间的通信问题已是迫在眉睫。

ZigBee及其他同类无线通信技术都是以IEEE802.15.4协议为基础的，都属于面向低功耗、低速率的短距离无线传输技术，具有简单、灵活、自适应性强等优点。由IEEE802.15.4协议规定了物理层和MAC层的接入机制，而以上各层则各具特点，衍生出不同的通信解决方案，而ZigBee无疑是其中使用率最高的一种；另一方面，从网络的发展方向上来看，物联网要解决的最重要的问题就是如何更便捷的接入到因特网中，而这正是6LoWPAN网络特有的优势，其网络层采用的IPv6协议使得用户可以轻松的接入到互联网中，极大地扩展了网络容量。

文章研究了ZigBee网络和6LoWPAN网络，设计实现了异构WSNs网关系统，对促进异构网络之间的无缝融合有积极意义。

2 异构传感网通信系统体系结构

2.1 协议模型

图1给出了两种异构网络通过网关进行互通的协议模型，ARM处理器居中，通过两个接入模块与两种网络相连。在ZigBee网络中，节点将采集到的数据传输至己端接入模块并进行解析，通过SLIP协议发给ARM处理器，由其转换成IPv6报文，再通过SLIP协议发送至彼端接入模块，最后传输至6LoWPAN网络中的某节点。

2.2 网关功能

如图1所示，网关在两种异构网络中间起到了衔接、解析和转换等功能，主要有：

（1）基本协议解析功能，包括ZigBee协议、6LoWPAN协议以及IPv6协议。（2）服务查询功能，主要通过在网关建立起一个存储传感网节点EUI-64地址与所提供服务的服务表实现，节点向网关发送服务查询请求命令，网关向节点返回服务查询响应。（3）协议转换功能。EUI-64地址要转换成IPv6地址，ZigBee数据包转换成IPv6数据包。

3 系统关键环节设计

3.1 应用层通信协议设计

ZigBee节点与6LoWPAN节点发送数据的时候要把自身的EUI-64地址、查询得到的6LoWPAN的EUI-64地址以及真正要发送的数据打包放在应用层负载中，因此，应用层数据通信协议就需要包含这些必要信息数据。

3.2 SLIP封装与解封装

两种网络接入模块通过串口与ARM处理器相连进行数据传输，并采用SLIP协议封装，将原报文中的字符0xC0替换为0XDB、0xDC，将字符0xDB替换为0xDB、0xDD，解封则做逆操作，在接收数据时可以通过SLIP的标志位判断数据是否完整，从而决定接受或丢弃数据报文。

3.3 网关节点交互流程

节点交互过程主要分为三个阶段：网关初始化阶段、服务查询阶段以及数据传输阶段。图2给出了ZigBee节点（A）、异构WSNs网关（B）、6LoWPAN节点（C）之间的交互流程，纵向为时间轴。如图所示，首先由网关初始化生成服务表，然后由ZigBee节点发起服务查询请求，网关如接受该请求则返回服务查询响应，ZigBee节点在响应中得到目的地址后，将其封装进数据报中进行发送，网关收到该报文，解析其中的目的地址，随后进行前文所述的协议转换、封装及转发，具体步骤如下：

（1）网关初始化。该步骤包括两个环节，即网络初始化和服务注册。首先网关启动后，分别处于两端的两种节点群开始工作，组建无线网络，这就是网络初始化环节；在两种网络都已建立完成之后，各节点向网关上传自己的EUI-64地址和该节点所实現的功能，即可以提供何种服务，完成服务注册环节。

（2）服务查询。节点A向网关B发起服务查询请求，网关收到请求后，先验证其身份，待确定身份合法后，在其服务表中查询6LoWPAN节点注册的服务项目，确定其所对应的节点C，然后把节点C的EUI-64地址回复给节点A，节点A收到此地址后就可进行数据报首部的封装了。

（3）数据传输。待完成了数据传输的准备工作之后，节点A开始进行数据封装及传输，将两类地址及数据打包发给网关，在网关处进行如下处理：ARM处理器接收到数据包后依次取出两类地址以及数据，再调用UDP/IPv6封装程序封装成一个IPv6数据包。然后通过串口发到6LoWPAN边界路由器的网络层，再往下传送到适配层进行分片、压缩等处理，传给MAC层及物理层，通过无线发送到目的6LoWPAN节点，至此完成了数据数据传输的全过程。

4 结束语

文章对ZigBee和6LoWPAN这两种异构网络间的交互通信问题进行研究，提出了基于ARM网关的协议转换模型和具体的实现方案，并对该方案中使用的各种关键技术进行了阐述和分析，相信随着物联网相关技术的不断进步，各种异构无线传感器网络之间的无缝融合程度将会不断加深，最终使互联网的应用扩展到物理世界的任意角落。

参考文献

[1]蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

[2]戚剑超.基于IPv6的无线传感器网络应用研究[D].合肥：合肥工业大学，2009.