基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計(jì)方案

摘 要：基于IPv6技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一門(mén)新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，人們對(duì)它的研究尚處于起步階段。在此主要論述IPv6技術(shù)在無(wú)線傳感器網(wǎng)組網(wǎng)應(yīng)用，對(duì)使用無(wú)線與有線相結(jié)合的通信方法，通信協(xié)議和算法的研究，使得視頻監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)，通信系統(tǒng)信號(hào)以及檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)在同一個(gè)通信平臺(tái)上互不干涉的平穩(wěn)的傳輸信息。就IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通方式，關(guān)鍵技術(shù)和算法等方面進(jìn)行概述。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；IPv6技術(shù)；通用接口；關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號(hào)：TP212.9

本文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在分析現(xiàn)有接入方式不足的基礎(chǔ)上提出了一種基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計(jì)方案。方案主要闡述了邊界路由器的硬件和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)介紹了基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧適配層的設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)據(jù)包分片與重組機(jī)制以及報(bào)頭壓縮機(jī)制，協(xié)議棧適配層實(shí)現(xiàn)了IPv6數(shù)據(jù)包在IEEE802.15.4鏈路中的傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，具有實(shí)用性的應(yīng)用價(jià)值。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）近年來(lái)發(fā)展迅速，在環(huán)境保護(hù)、工業(yè)設(shè)備監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、農(nóng)田監(jiān)測(cè)、智能家居、市政交通管理、軍事偵察等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的諸多應(yīng)用都需要遠(yuǎn)程用戶能夠方便地對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行訪問(wèn)、控制和使用。TCP/IP的廣泛應(yīng)用已經(jīng)使其成為事實(shí)上的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，加之IPv6的諸多優(yōu)良特性，都使得實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)與融合是當(dāng)前最現(xiàn)實(shí)的選擇。

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)主要有網(wǎng)關(guān)接入和直接接入兩種方式。其中，網(wǎng)關(guān)接入是指利用網(wǎng)關(guān)在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，但是網(wǎng)關(guān)接入還存在著網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等諸多問(wèn)題；直接接入方式是指在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接運(yùn)行IPv6協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是低速率、低功耗的資源受限網(wǎng)絡(luò)，在無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)上并不適合直接運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)IPv6協(xié)議。

本文提出了一種基于JN5148模塊的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器的設(shè)計(jì)方案，該方案能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫融合，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試證明了該方案的可行性。

1 邊界路由器硬件設(shè)計(jì)

邊界路由器硬件包括射頻模塊、處理器模塊和電源模塊等部分。其中，射頻模塊負(fù)責(zé)IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀的收發(fā)；處理器模塊負(fù)責(zé)解析收到的數(shù)據(jù)幀，選擇路徑后進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理；電源模塊負(fù)責(zé)對(duì)其他模塊供電。

1.1 射頻模塊

目前，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域面向不同應(yīng)用的協(xié)議棧眾多，其中絕大部分協(xié)議棧都把IEEE802.15.4作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。支持IEEE802.15.4的射頻模塊主要有Jennic公司的JN5148、Ember250、MC13192、TI公司的CC2430和Digi公司的XBEE模塊。

其中，JN5148模塊將射頻芯片與處理器集成一體，內(nèi)置了IEEE802.15.4協(xié)議，不需要自行設(shè)計(jì)無(wú)線射頻天線接口，開(kāi)發(fā)成本較低，本文設(shè)計(jì)中選用Jennic公司的JN5148模塊作為邊界路由器的處理器和射頻模塊。

JN5148模塊集成了基于OpenRISC核的32位RISC處理器，擁有完全兼容2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)器，128KB的RAM運(yùn)行應(yīng)用程序，512KB的FLASH能夠滿足包括存儲(chǔ)應(yīng)用程序在內(nèi)的大部分需求。

1.2 串行通信接口設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬要求不高，因此邊界路由器與Internet網(wǎng)絡(luò)之間可以采用UART串行總線連接。目前，各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中普遍應(yīng)用USB接口，可以使用轉(zhuǎn)換電路將USB接口轉(zhuǎn)換為UART串行總線接口，本文選擇FTDI232R芯片完成電平匹配和接口轉(zhuǎn)換，F(xiàn)TDI232R是一款可編程的USB接口轉(zhuǎn)UART接口的集成芯片，具有3.3V電壓輸出，可編程顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。

2 邊界路由器軟件設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)議?？蚣茉O(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)的核心，是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)與邊界路由器以及節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)。為了滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P互聯(lián)，需要精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議以及實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)幀在IEEE802.15.4幀中傳輸。本文設(shè)計(jì)的邊界路由器采用基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。協(xié)議?？蚣?。

IEEE802.15.4物理層主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)和關(guān)閉射頻收發(fā)器、能量檢測(cè)與信道掃描、清除信道評(píng)估以及無(wú)線電波信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)等工作。IEEE802.15.4MAC層主要完成信道接入、鏈路的連接及斷開(kāi)以及數(shù)據(jù)通信的差錯(cuò)及流量控制等工作。輕量級(jí)操作系統(tǒng)Contiki負(fù)責(zé)協(xié)議棧各層任務(wù)調(diào)度及管理，保證協(xié)議棧工作的實(shí)時(shí)性。

協(xié)議棧包括的任務(wù)有自組網(wǎng)任務(wù)、適配層主任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)任務(wù)、IP層任務(wù)以及應(yīng)用層任務(wù)，任務(wù)調(diào)度關(guān)系。

本設(shè)計(jì)選用的JN5148模塊內(nèi)部集成了IEEE802.15.4的物理層和MAC層協(xié)議，因此，協(xié)議棧設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是適配層、IP網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。

2.2 適配層設(shè)計(jì)

組建網(wǎng)絡(luò)是邊界路由器適配層需要完成的基本任務(wù)，系統(tǒng)啟動(dòng)后，自組網(wǎng)任務(wù)負(fù)責(zé)在選定信道和網(wǎng)絡(luò)16位PAN_ID后建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)維護(hù)任務(wù)在網(wǎng)絡(luò)建立后維持父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間的鏈路穩(wěn)定，并在鏈路出現(xiàn)異常時(shí)進(jìn)行上報(bào)并嘗試修復(fù)鏈路。IEEE802.15.4物理層數(shù)據(jù)單元最大為127B，而IPv6要求鏈路支持的最小MTU（Maximum Transmission Unit，MTU）長(zhǎng)度為1280B，明顯不支持此長(zhǎng)度MTU.適配層介于IEEE802.15.4MAC層和IP層之間，因此適配層主任務(wù)除了負(fù)責(zé)管理MAC層協(xié)議事件之外，主要完成節(jié)點(diǎn)自動(dòng)地址配置、IP數(shù)據(jù)包的分片與重組和IP數(shù)據(jù)包頭壓縮與解壓等功能以實(shí)現(xiàn)IP數(shù)據(jù)包在IEEE802.15.4鏈路中的傳輸。

2.3 地址映射機(jī)制

基于IPv6的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要配置惟一的IPv6地址，但是手動(dòng)配置繁瑣并且難以保證地址惟一性。本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)邊界路由器采用無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置機(jī)制。IPv6地址由全局地址前綴和接口標(biāo)識(shí)ID（Interface ID，IID）兩部分組成。因?yàn)槊恳粋€(gè)射頻模塊都分配有一個(gè)全球惟一的IEEEEUI-64標(biāo)識(shí)符，即64位MAC地址，因此可以利用EUI-64標(biāo)識(shí)符獲得一個(gè)IPv6地址接口標(biāo)識(shí)ID來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)狀態(tài)地址自動(dòng)配置。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：戴云松，男，云南建水人，總經(jīng)理，高級(jí)工程師，碩士。

作者單位：廣州耘趣網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，廣州 510030