关于6lopan调研.docx

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关于6lopan调研

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（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。

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（6LoWPANAdaptationLayer），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1-16LoWPAN协议模型与TCP/IP协议的对比

1.适配层报文分片重组功能

IEEE802.15.4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（MaximumTransmissionUnit,最大传输单元）是1280个字节。

所以要想实现IPv6在IEEE802.15.4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（Fragmentionadaptation）与重组（Reassemblyadaptation）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（ApplicationLayer）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,HeaderCompression）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1-26LoWPAN适配层帧结构封装示意图

图1-2中IEEE802.15.4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6LoWPAN适配层报文的开始，6LoWPAN报文有一系列的控制报头（headstack）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（MeshAddressingHeader）、多播控制报头（BroadcastHeader）、报文分片控制报头（FragmentationHeader）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ARM9S3C2440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QtGUI界面与Web应用程序，保证物联网平台的应用特性。

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（theEdgeRouter）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1-56LoWPAN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128KB可编程闪存和8KB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（PowerOnReset）、掉电检测电路（Brownoutdetection），可编程I/O引脚一共有21个。

采用嵌入式设备来完成6LoWPAN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1-66LoWPAN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1-76LoWPAN网络节点的双芯片（Two-Chip）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1-86LoWPAN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1-96LoWPAN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（BerkeleyIPImplementation）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前的对比图如图1-10所示。

其中IPv6报头被压缩至2个字节，UDP报头被压缩至4个字节。

图1-10UDP/6LoWPAN报文压缩前后对比图

CC2430实现无线数据发送是通过写寄存器RFD将数据写入发送缓冲区TXFIFO中，通过ISTXON指令来启动发送；实现无线数据接收是通过ISRXON指令开启接收状态，通过读寄存器RFD来读取接收缓冲区RXFIFO中收到的数据。

在CC2430芯片内部，8051处理器通过SPI接口对射频收发机进行操作，在初始化阶段，通过一系列寄存器读写操作完成使能频率合成器、使能接收模式、使能发送模式等功能。

按照这些处理就能完成MAC层数据的收发，当接收到MAC层数据之后，交给上层的协议处理程序完成协议解析工作，而发送时按照6LoWPAN协议来完成数据包封装，然后通过上述MAC层处理发送数据包。

UDP报文收发是6LoWPAN星型网络实现的关键，节点内其他软件功能的实现在此基础上完成，较为简单，在此不做介绍。

下面介绍实现协议下的UDP报文收发程序。

八、6LoWPAN与IPv4/IPv6因特网的互联方案

图1-116LoWPAN与IPv4/IPv6因特网的互联示意图

本物联网平台中网关是嵌入式硬件平台，实现web应用有两种解决方案。

一种方案采用独立的Web服务器，Web服务器与物联网网关设备之间用以太网卡网线连接的方式，为了实现6LoWPAN中心节点与IPv4网络节点的数据交换，此方案需要采用隧道技术或者双栈技术；另外一种方案是直接在物联网网关嵌入式平台上移植IPv4协议栈，通过协议转换的方式完成6LoWPAN数据包与IPv4数据包的转换，在此基础上在物联网网关设备上配置嵌入式Web服务器来提供web服务，整个web服务的所有处理在同一个硬件平台上完成，数据交互在内部程序之间完成。

方案一将物联网网关与网站服务器分离，是传统网络架构的直观思路，互联网中web服务器与其他网络单元的数据交互常采用的这种解决方案，另外对于嵌入式网关设备而言，在嵌入式Linux系统上完成隧道技术或者双栈技术复杂度较高，而方案二在嵌入式平台内部完成协议转换与数据交互较为容易实现，还考虑到嵌入式ARM平台硬件资源充足，处理器性能也足够满足Web服务器软件的运行环境要求，并且目前已经有轻量级、高性能的开源嵌入式Web服务器软件可以免费使用，所以采用方案二，这样直接在ARM平台上配置WebServer软件平台与IPv4协议栈，既节约整个平台的成本，又能充分利用好嵌入式ARM平台的性能与硬件资源。

九、两个应用实例

例一：

基于6LOWPAN无线传感器网络的农业环境实时监控。

实现了WSN与互联网之间的点到点通信，用户能够对某一特定区域的农业环境参数进行实时监测和控制；系统中的WSN直接接入互联网，无需特定的网关进行协议转换或者协议承载。

由5个部分组成：

6LoWPAN无线传感器网络、6LoWPAN网关节点、传输网络（即互联网）、互联网终端用户及数据库。

一、6LoWPAN网关

硬件框架：

6LoWPAN网关节点的功能在于连接WSN与互联网，实现协议栈的精简以及数据包的路由转发，6LoWPAN网关从有线网络接口接收互联网的数据包，微处理器对数据包进行精简处理，并将精简的数据包通过无线收发器发送到无线传感器网络；同样，6LoWPAN网关从无线收发器接收传感器节点发送的精简数据包，微处理器将精简数据包还原为完整的数据包，通过有线网络接口将完整的数据包发送到互联网。

硬件配置：

1）无线收发器：

CC2420

支持IEEE802．15．4标准；采用0．18umCMOS工艺制成；数据传输率为250kbps；RAM分为3个bank，共368字节，其中，bank0为128字节，用于存放待发送的数据，bankl为128个字节，用于存放CC2420接收到的数据，bank2为112字节，用于存储CC2420的16位网络地址、“位IEEE地址及密钥等一些信息；50个寄存器，其中状态和配置寄存器为33个，用于设置CC2420的工作模式，命令寄存器为15个，对不同的命令寄存器写入特定格式的命令字，会执行相应的动作，其余2个是访问TXFIFO和RXFIFO的8位数据寄存器，通过这2个寄存器读写TXFIFO和RXFIFO中的数据。

2）微处理器：

$3C2410处理器

内核为ARM920T的32位处理器，主频为203MHz；存储器为64MBNandFlash以及64MBSDRAM；1个LCD控制器；4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟；8通道的10位ADC：

1个触摸屏接口；1个USB主机接口，1个USB设备接口；2个SPI接口；SD接口和MMC卡接口；117位通用I／o口和24位外部中断源。

3）有线网络接口：

CS8900A

16位以太网控制器；支持IEEE802．3以太网标准，带有ISA接口；RAM为4K字节；带有低通滤波的10Base．T连接端口，支持10Base2、10Base5和10Base．F的AUI自动重发；最大电流为55mA（5V）；全双工操作；支持外部EEPROM。

软件框架

1）无线硬件抽象层：

①从无线接口（即无线收发器）接收数据，并将数据提交给协议层处理；②从协议层接收数据，将数据通过无线接口发送出去；

2）有线硬件抽象层：

①从有线接口接收数据，并将数据提交给协议层处理；②从协议层接收数据，将数据通过有线接口发送出去。

UDP／IPv6协议层的功能为：

1）从有线硬件抽象层接收数据包，对数据包进行精简，并按照路由信息，通过无线硬件抽象层将数据包发送到下一跳节点；

2）从无线硬件抽象层获取数据包，对数据包进行还原操作，并按照路由信息，通过有线硬件抽象层将数据包发送到下一跳节点。

二、传感器节点：

1、硬件框架：

无线收发器采用CC2420射频芯片

微处理器采用ATmegal28L处理器。

2、软件框架：

硬件抽象层的功能为：

1）从无线接口接收数据，并将数据提交给协议层处理：

2）从协议层接收数据，将数据通过无线接口发送出去。

协议层的功能为：

1）协议层从硬件抽象层接收数据包，根据数据包的目的地址判断自己是否为目的节点，如果是，则将数据包负载（即应用数据）提交给应用层处理，否则按照路由信息，通过硬件抽象层将数据包转发到下一跳节点；

2）协议层从应用层接收数据，对其进行封装处理，按照路由信息，通过硬件抽象层将数据包转发到下一跳节点。

应用层的功能为：

从协议层接收数据，将接收到的数据解释为相应的服务请求命令，如果是查询服务请求，则将采集的环境数据提交给协议层处理，如果是控制服务请求，则执行相应的调节装置开关，并将执行结果的状态信息返回给协议层处理。

例二：

传感器网络监控网站—北邮

WSN与IPV6的互联方式：

全IP方式。

实现全IP直接接入的一种重要方法是在网络层和MAC层之间添加适配层（即6LoWPAN）

适配层向上为IPv6网络层提供必要的服务，向下屏蔽掉IPv6中与802.15.4网络不相匹配的一些属性，从而圆满的解决了IPv6与IEEE802.巧.4之间的冲突。

提供了不同协议层之间的数据包转换、数据包头压缩、分片重组、Mesh路由等功能。

1.协议栈模型:

2.基于6LoWPAN的星型IPv6无线传感器网络的设计方案

在设计时，主要实现UDP，ICMP的报文交互通信。

在WSN操作系统和硬件平台的选择上，虽然现在许多厂商推出了IEEE802.15.4无线解决方案，但是许多都偏重于ZigBee开发，而且大都没有提供源码，许多方案仅提供库文件，开发资源也比较少，而伯克利大学开发的TinyOS系统在WSN应用中推出较早，采用开源策略，开发资源非常丰富，并有大量兼容的硬件平台可供选择，在科研和商业领域中也得到了广泛应用；此外，TinyOS系统使用硬件抽象层技术，使得用户无需较多考虑无线硬件的底层处理，对开发上层协议栈而言，较大降低了开发难度；同时新的TinyOS2.0系统对还在开发中的6LoWPAN系统也作了支持。

因此这里使用TinyOS2.0系统作为WSN的操作系统平台，硬件平台采用xbow公司支持TinyOS2.0的IEEE802.15.4平台micaZ。

该平台采用AVR128L+CC2420的组合，其中CC2420是由chipcon公司推出的著名的IEEE802.15.4射频芯片，具有很多成熟解决方案。

综上所述，系统的整体设计目标是实现6LoWPAN协议的主要功能，WSN内采用星型拓扑结构，通过基站（协调者）节点，完成WSN网络内部的终端节点与外部IPv6网络之间互相通信，使WSN网络内部节点能够与外部IPv6网络的计算机之间正确交换UDP数据报。