實現(xiàn)6LoWPAN技術(shù)的解決方案簡析

王 榮

（無錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 無錫214121）

1 短距離無線通信技術(shù)與6LoWPAN

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在近幾年成為了信息領(lǐng)域的熱門話題。無線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network,WSN）是提到最多的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)主要通過各類微型傳感器節(jié)點 （Node）組成無線個域網(wǎng)（Wireless Personal Area Network,WPAN），用于感知和監(jiān)控綜合環(huán)境信息[1]。類似的技術(shù)主要有ZigBee以及6LoWPAN協(xié)議。盡管兩者均是基于IEEE 802.15.4設(shè)計，由于ZigBee協(xié)議在連入互聯(lián)網(wǎng)的時候需要專門的網(wǎng)關(guān)（不直接支持IP地址），為了實現(xiàn)WSN和IP網(wǎng)絡(luò)的無縫對接[2]，支持IP通信協(xié)議的6LoWPAN被越來越多的項目及科研所使用[3]。本文主要探討關(guān)于6LoWPAN在工程項目中應(yīng)用時的幾種軟硬件解決方案，旨在為廣大工程項目開發(fā)者提供幾種思路。

2 6LoWPAN的芯片方案

6LoWPAN技術(shù)作為一種短距離低速率無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通常應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。由于6LoWPAN協(xié)議棧一般運行在微控制器芯片中，通常有3種解決方案：單芯片模型、雙芯片模型以及網(wǎng)絡(luò)處理器方案。單芯片模型采用SoC芯片，即片上系統(tǒng)，將射頻模塊和微控制器（Microcontroller，MCU）集成在一片芯片上。雙芯片模型采用通用微控制器和一片射頻收發(fā)芯片共同工作。而網(wǎng)絡(luò)處理器方案則采用固化了協(xié)議棧的射頻芯片，一般和一個單獨的運行著應(yīng)用軟件的微控制器共同使用[4]。

2.1 單芯片模型

當(dāng)設(shè)備的尺寸和成本控制作為首要考慮條件，并且要實現(xiàn)的功能相對簡單時，單芯片模型的解決方案最為合理。單芯片模型采用SOC芯片，集成了射頻收發(fā)器和微控制器兩大核心模塊，一般帶有FLASH單元、內(nèi)存以及一些常用的外設(shè)。典型的模型如圖1所示。采用SoC的無線節(jié)點僅需少許元器件和一些簡單的電路即可實現(xiàn)，通常包括RF匹配電路、天線、晶振、電源模塊以及傳感器等。軟件存儲在FLASH中，一般包括硬件驅(qū)動、6LoWPAN協(xié)議棧、應(yīng)用軟件，當(dāng)然也可能有一個簡易的嵌入式操作系統(tǒng)。常見的SOC解決方案有TI公司的CC2530、CC1110，Jennic公司的JN5139等。大多數(shù)的6LoWPAN協(xié)議棧都可以移植到單芯片模型中。

圖1 SoC射頻模型

單芯片方案的帶來的一大缺點是軟件開發(fā)周期的延長以及難度的增加。由于SoC都是采用小型定制的微控制器內(nèi)核，內(nèi)存的保護(hù)機(jī)制一般不完善，因此要把應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)以及協(xié)議棧都集成到一起需要花費更多的測試與調(diào)試周期。同時，由于每種SoC都采用單獨的編譯器和開發(fā)環(huán)境，對軟件的可重用性限制很大。

2.2 雙芯片模型

如果應(yīng)用程序復(fù)雜度較高，或者對性能要求較高，那么雙芯片模型將成為首要選擇。圖2給出了一個雙芯片模型的框圖。在雙芯片模型中，微控制器和射頻收發(fā)器是分離式的。特別地，當(dāng)該射頻收發(fā)器內(nèi)部已經(jīng)固化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的話，它一般就被稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，下一節(jié)會單獨討論這一方案。在雙芯片模型中，微控制器通過SPI接口或者UART接口和射頻芯片通信。6LoWPAN協(xié)議棧、硬件接口以及操作系統(tǒng)則完全運行于微控制器內(nèi)部，因此開發(fā)者可以選擇自己最熟悉的、最適合項目的微控制器來使用，以便同時滿足性能、嵌入式控制、信號處理等需求。典型的射頻芯片可以是TI公司的CC2520，Atmel公司的AT86RF231等。

圖2 雙芯片模型結(jié)構(gòu)圖

2.3 網(wǎng)絡(luò)處理器方案

如果某些產(chǎn)品的應(yīng)用程序已經(jīng)完善了，所有的用戶功能也已正常運作，只是需要額外給它添加網(wǎng)絡(luò)通信功能（即協(xié)議棧）的時候，使用網(wǎng)絡(luò)處理器方案是一種合理的途徑。該方案能夠有效減少開發(fā)者學(xué)習(xí)使用一種全新芯片的時間。一般而言，網(wǎng)絡(luò)處理器需要配合微控制器共同使用，因此它是一種特殊的雙芯片方案。不同的是，在網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)部不僅有無線收發(fā)器，而且已經(jīng)固化了6LoWPAN的協(xié)議棧。典型電路圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)絡(luò)處理器方案結(jié)構(gòu)圖

和網(wǎng)絡(luò)處理器的通信可通過UART接口或者SPI接口，通信命令類似于套接字協(xié)議。因此該模型的使用方式不再需要將6LoWPAN協(xié)議棧集成到微控制器中，而僅僅只需通過軟件通信接口即可實現(xiàn)。如果實際采用了操作系統(tǒng)，比如LINUX來運行應(yīng)用程序，則只需要很小的改進(jìn)便可將6LoWPAN通信功能添加進(jìn)去。

該方案的缺點如同雙芯片方案，他同樣需要兩個芯片來實現(xiàn)。因此對電路板尺寸嚴(yán)格控制的項目將難以實施。由于網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)部集成了內(nèi)存、FLASH、微處理器內(nèi)核等模塊，它的價格相對昂貴。典型的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)處理器有TI公司的CC1180。

3 6LoWPAN協(xié)議棧

要實現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，最簡單的方法是采用現(xiàn)成的通信協(xié)議棧。協(xié)議棧一般由企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)以及個人開發(fā)，主要有幾種運行模式：

（1）固化在網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)；

（2）包含在操作系統(tǒng)中；

（3）集成在嵌入式軟件內(nèi)。

本節(jié)將重點討論幾種開源的以及商業(yè)化的協(xié)議棧，它們運行于上節(jié)中介紹的一個或多個模型中。

3.1 Contiki操作系統(tǒng)和uIPv6協(xié)議棧

Contiki是一個非常聞名的嵌入式開源操作系統(tǒng)，專為微控制器架構(gòu)設(shè)計，可運行在AVR、8051以及MSP430中，由瑞典計算機(jī)科學(xué)研究所開發(fā)。Contik實現(xiàn)了一個微小的IP協(xié)議，稱作uIP協(xié)議棧。同時，它也實現(xiàn)了基于6LoWPAN的IPv6協(xié)議，稱作uIPv6協(xié)議棧。Contiki操作系統(tǒng)以及uIP協(xié)議棧被世界上幾百個工程項目和公司所采用。Contiki主要設(shè)計工作在低功耗的收發(fā)器中，支持IP網(wǎng)絡(luò)通信。它采用C語言實現(xiàn)，可以編譯到很多平臺。已經(jīng)有非常多的微控制器和設(shè)備平臺運行了Contiki，因此有很多的例程和應(yīng)用軟件可以移植到自己的項目中。

3.2 TinyOS操作系統(tǒng)和BLIP協(xié)議棧

TinyOS也是一個開源操作系統(tǒng)，由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校設(shè)計，應(yīng)用于無線嵌入式傳感網(wǎng)的研究中。它廣泛傳播在學(xué)術(shù)界，有很多測試版的程序代碼。TinyOS為低功耗、低性能的處理器設(shè)計，采用模塊化結(jié)構(gòu)，基于事件驅(qū)動的模型。為了實現(xiàn)某些面向?qū)ο蟮墓δ埽捎靡环N由C語言開發(fā)的新語言實現(xiàn)，稱作NesC。這也限制了改操作系統(tǒng)的可移植性，而且增加了開發(fā)者的學(xué)習(xí)周期。

TinyOS同樣支持6LoWPAN協(xié)議，一般包含于TinyOS內(nèi)部，同樣由加利福尼亞大學(xué)伯克利分校開發(fā)，其命名為BLIP（Berkeley IP Implementation）。BLIP還支持Linux操作系統(tǒng)，主要為了實現(xiàn)TinyOS 6LoWPAN節(jié)點和其他IP網(wǎng)絡(luò)的連接。

3.3 Sensinode和 NanoStack 協(xié)議棧

NanoStack是一個由Sensinode開發(fā)的基于6LowPAN協(xié)議開發(fā)的商業(yè)協(xié)議棧。它是一個非常小型，且專為6LoWPAN協(xié)議經(jīng)過特殊優(yōu)化的協(xié)議棧，適用于SoC芯片。該協(xié)議棧可直接在TI公司生產(chǎn)的SoC芯片如CC2430，CC2530以及GHz頻段的CC1110上運行，如果開發(fā)者具有ZigBee的開發(fā)經(jīng)歷，對這類芯片應(yīng)該比較熟悉，對于該協(xié)議棧的學(xué)習(xí)使用會更容易。

NanoStack的硬件接口通過UART以及SPI接口實現(xiàn)，需要有一個微控制器來實現(xiàn)一個完整的項目。NanoStack等同于網(wǎng)絡(luò)處理器中的固件角色，因此微控制器只需要通過簡單的軟件接口即可實現(xiàn)和NanoStack的通信。開發(fā)者只需要側(cè)重于應(yīng)用功能的開發(fā)，無線通信部分直接交給NanoStack即可。

3.4 Jennic公司的6LoWPAN協(xié)議棧

Jennic公司是一個無線芯片制造商，專門開發(fā)IEEE802.15.4的SOC芯片。他們是第一家為自己的SOC產(chǎn)品提供6LoWPAN協(xié)議棧的廠商，稱為 JenNet。JenNet支持 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)層，UDP協(xié)議和ICMPv6協(xié)議以及IEEE802.15.4 MAC層。用戶功能應(yīng)用程序通過公司提供的Jenie API接口實現(xiàn)，可以控制協(xié)議棧的各種功能，包括配置和管理節(jié)點等。

4 結(jié)束語

作為一種基于IP通信為主的短距離、低功耗無線通信協(xié)議，6LoWPAN一直都扮演著非常重要的角色。在工程項目中，硬件的設(shè)計和軟件的實現(xiàn)都是工程師考慮的重點。本文主要討論了實現(xiàn)6LoWPAN應(yīng)用的幾種方案，向用戶展示了一些選擇面，相信能夠為大家提供一些工程應(yīng)用時的思想方法。

［1］付蔚，陳剛，王平，張陽陽：智能家居6LoWPAN家電控制系統(tǒng)研究[J].自動化儀表，2013，34：62-65,69.

［2］許愷，戎蒙怡，劉濤.基于6LoWPAN的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與性能分析[J].2012,1,29-31.

［3］吳?。?LowPan 技術(shù)分析[J].鐵道通信信號，2006,42，38-40.

［4］ZACH SHELBY， CARSTEN BORMANN：6LoWPAN：The Wireless Embedded Internet[J].WILEY,ISBN：9780470747995,2009.