基于6LOWPAN傳感器網關設計

摘要 在研究6LoWPAN無線傳感器網絡以及IPv6網絡的基礎上，提出一種基于6LoWPAN的傳感器網關解決方案，實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡之間互聯，并對網關中的硬件與軟件設計進行論述。最后搭建測試網絡，通過對端到端網絡的連接性、延時變化、往返延時、丟包率以及吞吐量的測試，對該網絡性能作出簡要分析。測試結果表明，該網關實現了6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡的互聯，并能在實際網絡環境中運行。
關鍵詞 6LoWPAN；網關；IPv6；無線傳感器網絡：Contiki

目前IEEE 802．15．4已成為針對低功耗、低數據速率、低可靠性的通用標準。如ZigBee、WirelessHART等在物理層和MAC層均采用IEEE 802．15．4標準，但在網絡層它們采用各自定義的協議，不能實現網絡層的互聯。且無線傳感器網絡一般采用自定義的通信地址，地址數量有限，僅在單個無線網絡內有效。而IPv6具有充足的地址空間，IPv6所具有的特性較好地滿足物聯網應用需求，是物聯網大規模發展的基礎性保證。因此，物聯網采用IPv6協議實現其廣泛互聯通成為必然趨勢。IETF成立了3個工作組進行低功耗IPv6網絡方面的研究，旨在將IPv6與資源受限的無線網絡無縫連接。
文中對基于6LoWPAN的無線傳感器網絡以及IPv6網絡進行了研究，主要目標在于設計和實現一種基于6LoWPAN的傳感器網關。實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6有線網絡之間互聯，建立一種能普遍應用的系統平臺架構，并在軟硬件上進行實現和應用。

1 研究概況
將IPv6技術引入無線傳感網絡可便于實現與IPv6有線網絡設備端對端的通信，提高了轉發效率，增強了安全性。文獻中提出了IPv6無線傳感器網絡體系結構，旨在實現IPv6技術與無線傳感器網絡技術的融合，并討論了采用網關接入方式，實現無線傳感器網絡與現有網絡的互聯。
對于傳感器網關架構的研究，有3種不同的設計思想。一是文獻設計的網關，客戶端通過采用Web技術獲取無線傳感器節點的數據信息。這類解決方案的缺點是使用專有的協議連接傳感器節點，相當于在無線傳感器網絡與Internet之間放置了代理服務器，并不能實現客戶端與傳感器節點直接通信；二是文獻設計的網關，是基于具體應用而設計的，描述了在該應用場景下網關的信息交互，并未涉及網關的軟硬件設計；三是文獻設計的基于6LoWPAN的無線傳感器網關架構。文獻提出了基于6LoWPAN的無線傳感器網關架構，實現6LoWPAN無線傳感器網絡短地址與IPv6地址之間直接轉換，分析了數據包的傳輸過程，但未涉及網關的軟硬件設計；文獻實現IPv6無線傳感器網絡的端到端通信，但也沒有對網關的軟硬件設計進行論述；文獻雖著重于網關的軟硬件設計，但未對網關及整體系統的性能進行分析。
而文獻只關注了網絡性能方面的測試。
文中提出一種采用網關接入方式實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡互聯的整體架構，并對網關中的硬件與軟件設計進行論述，最后搭建測試網絡對系統的性能進行分析。

2 網關設計
6LoWPAN網關接入方式實現6LoWPAN無線傳感器網絡與IPv6網絡互聯的系統架構如圖1所示。系統分為4個部分：6LoWPAN傳感器節點、6LoWPAN網關、6LoWPAN服務器以及IPv6用戶終端。所有無線設備采用Contiki OS作為操作系統。物理層和MAC層遵循IEEE 802．15．4標準，集成了6LoWPAN適配層和uIPv6協議棧，具備鄰居發現、自動組網等功能，能支持構建功能完善的基于IPv6的無線傳感器網絡。傳感器節點可以將采集的監測數據通過ContikiRPL路由匯聚到網關，網關進行協議轉換及將數據的轉發到服務器，服務器將對數據進行分析、處理和存儲，而IPv6客戶端可以通過訪問服務器對網絡進行有效的控制和管理。

2．1 硬件設計
網關硬件構成如圖2所示。該智能無線網關基于OPENWRT系統，具備3個局域網口，1個廣域網口，1個802．11a／b／g WiFi無線網絡接口，1個標準USB口和1個可選的串口調試口。WAN口連接如IPv6或IPv4有線網絡現有外界網絡等。USB口連接USBStick能支持IEEE 802．15．4標準，可以與WSN內的任何節點通信。