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

　　本文針對無線傳感器網(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的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧適配層的設(shè)計(jì)。通過數(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IEEE 802.15.4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)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，具有實(shí)用性的應(yīng)用價(jià)值。

　　0引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)近年來發(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、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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行訪問、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、成本較高等諸多問題;直接接入方式是指在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)直接運(yùn)行IPv6協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。無線傳感器網(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)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的無縫融合，并通過實(shí)際測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)IEEE 802.15.4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)對其他模塊供電。邊界路由器的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1.1射頻模塊

　　目前，無線傳感器網(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IEEE 802.15.4作為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。支持IEEE 802.15.4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IEEE 802.15.4協(xié)議，不需要自行設(shè)計(jì)無線射頻天線接口，開發(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2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)器，128 KB的RAM運(yùn)行應(yīng)用程序，512 KB的FLASH能夠滿足包括存儲應(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)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量較小，對網(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3.3 V電壓輸出，可編程顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。具體電路如圖2所示。

　　2邊界路由器軟件設(shè)計(jì)

　　2.1協(xié)議棧框架設(shè)計(jì)

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)的核心，是無線傳感器網(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)。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P互聯(lián)，需要精簡IPv6協(xié)議以及實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)幀在IEEE 802.15.4幀中傳輸。本文設(shè)計(jì)的邊界路由器采用基于IPv6的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。協(xié)議棧框架如圖3所示。

　　IEEE 802.15.4物理層主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)和關(guān)閉射頻收發(fā)器、能量檢測與信道掃描、清除信道評估以及無線電波信號的調(diào)制和解調(diào)等工作。IEEE 802.15.4 MAC層主要完成信道接入、鏈路的連接及斷開以及數(shù)據(jù)通信的差錯(cuò)及流量控制等工作。輕量級操作系統(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)系如圖4所示。

　　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。