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1、6LoWPAN 调研研究物联网感知层中感知信息与控制信令的网络传输问题，主要是在研究6LoWPAN 技术理论的基础上如何实现一个6LoWPAN 网络，将物联网监控终端安装在网络节点上，实现感知信息与控制信令的传输。并确定详细的实现方案，主要包括芯片选型、相关芯片的嵌入式操作系统选择、6LoWPAN 协议栈的选择、 软件实现方案等。在确定硬件架构方案之后，需要进行底层与应用层软件的开发设计，最终完成6LoWPAN 的无线传感器网络，实现端到端支持的感知信息与控制信令的双向链路。6LoWPAN ， 即 基 于IPv6的 低 功 耗 无 线 个 域 网 ， 是 一 个 在 低 功 耗 个 域 网 (
2、 例 如IEEE802.15.4 网络 )中传输IPV6 数据包的协议。这个协议的提出来源于一个很简单的想法:随着网络技术的发展，即使米粒大小的设备也应该具备接入互联网的能力。6LoWPAN 的目标是定义一个适配层，负责让IPV6 的数据包能够在底层的IEEE802.15.4 网络中传输。然后，为了实现6LoWPAN 网络节点接入互联网的目标，拟设计一个嵌入式物联网网关。一方面要让网关具备网络监控功能，具体方案就是实现一个Qtopia 操作界面来实现网络的本地化管理；另外一方面要让支持网关HTTP 协议并开发Web 应用程序， 让用户可以通过Web 网站方式远程监控6LoWPAN 网络中的节点
3、。一协议栈的设计6LoWPAN 协议栈参考模型如图1-1 所示，由该模型可以清晰的看到6LoWPAN 技术最核心的思想： 6LoWPAN 架构于IEEE802.15.4 协议标准的物理层和MAC 层之上， 在网络层与MAC 层之间加入了适配层(6LoWPAN AdaptationLayer) ，网络层采用的是IETF 规定的IPv6 协议，传输层、应用层与传统的互联网中的TCP/IP 协议一样。采用这样的协议结构就能使得每一个无线传感器节点都与下一代IPv6 互联网端到端的无缝连接。图 1-1 6LoWPAN 协议模型与TCP/IP 协议的对比1.适配层报文分片重组功能IEEE 802.15.
4、4 的MAC 层留给上层的报文长度仅剩下81 个字节，而IPv6 的最小MTU（ Maximum Transmission Unit, 最大传输单元） 是 1280 个字节。所以要想实现IPv6 在IEEE 802.15.4 协议标准之上的传输，必须在网络层之下加入适配层，完成报文的分片 （Fragmention adaptation）与重组（ Reassembly adaptation）适配功能。从而能让字节数高达1280 字节的IPv6 报文在仅留给IP 层 81 字节空间的IEEE802.15.4 协议下传输。2.适配层报头压缩功能由 IPv6 报文结构可知，IPv6 报头需要占用40
5、个字节，那么留给网络层之上的传输层只有41 个字节的空间。 如果在传输层采用UDP 协议，UDP 头需要占用8 个字节的空间，这也就意味着留给应用层（Application Layer ）仅仅33 个字节的可用空间，势必会造成有效载荷极低，因此适配层还需要完成报头压缩（HC, Header Compression ）功能，从而提高净荷传输率。6LoWPAN 适配层报文结构封装示意图如图1-2 所示。图 1-2 6LoWPAN 适配层帧结构封装示意图图 1-2 中 IEEE 802.15.4 标识字段表示MAC 层控制头（见图2-3，包括帧控制域、序列号、MAC 层源目地址） ，在此之后的字节是
6、6LoWPAN 适配层报文的开始，6LoWPAN 报文有一系列的控制报头（head stack）组成，可以根据具体要实现的功能选择其中一种或者几种控制报头。各个控制报头按照网络寻址控制报头（Mesh Addressing Header） 、多播控制报头（Broadcast Header） 、报文分片控制报头（Fragmentation Header）的 顺序依次排列。二、平台总体设计： 在对6LoWPAN 技术原理进行分析后，提出了一种基于6LoWPAN 的物联网应用平台网络架构，如图1-3 所示。该网络架构的实现分为三大主体，分别是物联网监控终端、6LoWPAN 网络、物联网网关。图 1-3
7、 基于 6LoWPAN 的物联网应用平台网络构架图在终端的设计上，拟研制一种多功能物联网监控终端，能实现物体信息感知与智能控制。具体来说是采用以ATmega64 为核心的单片机展开设计，利用现有的传感器、RFID 射频识别等物联网感知层技术实现物体信息的感知，除此之外该终端还要具备物体控制功能。在6LoWPAN 网络的设计上，拟实现一种星型拓扑结构的6LoWPAN 网络，硬件方案拟采用CC2430 射频芯片来搭建网络，软件上软上是基于TinyOS 嵌入式操作系统开发采用 NesC 语言完成UDP/6LoWPAN 报文传输的实现。在物联网网关的实现上，采用嵌入式解决方案，即以ARM9 S3C24
8、40 嵌入式开发平台为硬件环境，嵌入式Linux 操作系统作为软件开发环境，在此基础上完成6LoWPAN 网络接入Internet 的功能，还具备物联网监控管理的功能。通过以上三大功能主体的支持，就能实现远程的物体感知与控制功能，物体感知信息在物联网监控终端处完成采集，经过6LoWPAN 网络传输，并汇集到物联网网关，网关在协议转换的支持下将感知信息接入到Internet ；同时在Internet 上的物联网用户也可以通过发送物体控制信令经过一个相反的传输过程将信令送到物联网监控终端实现物体的控制。本方案还要进行应用层的设计，开发Qt GUI 界面与Web 应用程序，保证物联网平台的应用特性。
9、三、星型6LoWPAN 网络的设计思路星型拓扑的6LoWPAN 网络结构如图1-4 所示。 6LoWPAN 网络内部所有网络节点都有一个相同的IPv6 地址前缀（即IPv6 地址的前64 位） ，终端节点通过6LoWPAN 边缘路由器 (the Edge Router)与其他IPv6 网络的互联。边缘路由器具备6LoWPAN 网络管理、协议转换的能力。在星型网络中，边缘路由器也是中心节点。图 1-4 星型拓扑的6LoWPAN 网络结构在这种网络架构下，6LoWPAN 终端节点 （连接物联网监控终端）就可以通过边缘路由器 与 外 部IPv6 网 络 节 点 （ 互 联 网 终 端 ） 之 间 端
10、 到 端 (End-to-End) 的 双 向 通 信 。 在UDP/IPv6/6LoWPAN/IEEE802.15.4 协议支持下，双向传输UDP 数据报文的过程如图1-5所示。图 1-5 6LoWPAN 端到端 (End-to-End) 双向传输UDP 数据报文示意图要实现6LoWPAN 终端节点与边缘路由器的硬件及6LoWPAN 协议主要功能， 首要的任务就是选择硬件平台。终端节点与边缘路由器节点都需要硬件上遵照IEEE802.15.4 协议标准，目前，市场上已经有很多成熟的IEEE802.15.4 无线芯片 ，最为常用的是TI 公司推出的CC2430 芯片，与之相对应的开发资料较其他芯
11、片也相对丰富很多。本平台采用CC2430 芯片完成6LoWPAN 网络节点的硬件设计。四、 CC2430 射频芯片简介CC2430 射频芯片集成了IEEE802.15.4 射频收发机、 80C51 增强型单片机，二者在芯片内部采用四线SPI 接口通信。 80C51 增强型单片机具有128 KB 可编程闪存和8 KB 的RAM ，还扩展了模 -数转换器 (ADC) 、看门狗（ Watchdog） 、定时器（ Timer） 、休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brownout detection)，可编程I/O 引脚一共有21 个。采用嵌入式设备来完成6L
12、oWPAN 网络终端节点与中心节点的硬件设计，理论上有两种解决方案。（1）单芯片 (signle-chip) 解决方案图 1-6 6LoWPAN 网络节点的单芯片(Single-Chip) 解决方案如图1-6 所示，射频收发机、6LoWPAN 协议栈以及应用功能模块全部集成在一块芯片上， 只有一块微控制器(Microcontroller) 对这些功能进行处理。这种解决方案适合协议栈精简、应用功能复杂度较低的需求，能降低硬件成本，充分利用硬件资源。（2）双芯片 (two-chip) 解决方案双芯片解决方案硬件结构如图1-7 所示。图 1-7 6LoWPAN 网络节点的双芯片(Two-Chip)
13、解决方案双芯片解决方案中，一块芯片是射频收发机，其微处理器专门负责6LoWPAN 网络功能，完成无线信号的收发与协议栈功能，并将原始数据通过SPI 或者UART 接口方式交给另外一块芯片， 另外一块芯片则专门完成应用功能的处理。这种解决方案适合应用功能较为复杂的应用场景，将网络功能与应用功能分离，软件设计上具有较大的灵活性与通用性。6LoWPAN 星型网络的硬件搭建采用了双芯片设计方法。根据物联网应用平台的总体思路，对6LoWPAN 终端节点而言，它与物联网监控终端硬件上分离设计，由物联网监控终端完成应用功能之后，按照定义的应用层数据格式与6LoWPAN 终端节点交互12 字节的感知信息或者4
14、 字节的控制信令，由6LoWPAN 终端节点来实现6LoWPAN 网络功能；对于6LoWPAN 中心节点而言， 它与 物联网 网关硬 件上分 离设计 ，由 物联网 网关与6LoWPAN 中心节点之间交互UDP 数据报文，进而将6LoWPAN 网络接入Internet 等公众网络。五、 6LoWPAN 网络终端节点的硬件设计 图 1-8 所示硬件框图的虚线上方是6LoWPAN 终端节点，以CC2430 芯片为核心，其芯片内嵌一块增强型8051 单片机与IEEE802.15.4 射频收发机采用SPI 接口通信，并配有时钟电路、电源电路、JTAG 调试接口等基本工作电路。图 1-8 6LoWPAN
15、终端节点硬件框图在 6LoWPAN 终端节点的PCB 设计上，首先设计完成CC2430 的最小系统板，包括射频前端匹配电路、2.4GHz 天线馈电单元、时钟电路等结构，并将所有I/O 口、电源引脚VCC、电源地GND 等引脚通过插针方式引出，插针与物联网监控终端底板相连，其中电源电路与JTAG 调试接口由物联网监控终端PCB 底板提供。六、 6LoWPAN 中心节点的硬件设计图 1-9 所示是6LoWPAN 中心节点的硬件结构图，与 6LoWPAN 终端节点不同的是，中心节点是一个完整的CC2430 无线模块，外围电路包括电源电路、时钟电路、RS232 串口电路、JTAG 调试接口， 是一块独
16、立的PCB 电路板， 它与物联网网关组成双MCU 架构，采用串口UART 方式连接。图 1-9 6LoWPAN 中心节点硬件结构图七、 6LoWPAN 星型网络的软件实现软件方案上，采用基于TinyOS 嵌入式操作系统的来实现，在该系统下有成熟的BLIP 协议栈， BLIP （ Berkeley IP Implementation ）是加州大学伯克利分校基于TinyOS 系统的6LoWPAN 协议栈研发项目，它实现了报头压缩，邻居发现，路由协议等6LoWPAN 协议的内容，本平台不会应用到这些高级网络功能，所以考虑自主采用NesC 语言编程实现一个遵照6LoWPAN 协议的UDP 报文传输程序。根据定义，本物联网应用平台的应用层数据格式最多为12 个字节，按照适配层理论，即使网络层与传输层的报头都不经过压缩，也能存储下12 个字节的负载，也就意味着可以采用6LoWPAN 协议的不分片报文格式，但是考虑到这样净荷传输率过低。所以软件方案上考虑遵照6LoWPAN 协议，通过HC1 编码实现IPv6 报头压缩、 HC2 编码实现UDP 报头压缩，完成压缩后的6LoWPAN数据报文格式与压缩
