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摘要：6LoWPAN无线传感网络利用IPv6在IEEE802.15.4链路上的无缝连接，实现WSN和Internet主干网之间的点对点通信。以6LoWPAN无线传感网络在农业温室大棚环境监测中的应用为例，构建6LoWPAN无线传感网络监测系统的总体方案，给出了6LoWPAN节点和6LoWPAN网关的软硬件设计，并对该系统进行了测试。测试结果表明，6LoWPAN无线传感网络系统实现了WSN与外部IPv6网络的直接互联和数据交互，完成了对温室大棚环境的实时监测，结果稳定高效。
关键词：温室监测；无线传感器网络；6LoWPAN；IPv6；IEEE802.15.4
中图分类号： TP393；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0371-03
收稿日期：2013-11-30
基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目（编号：KJ2012B151）；合肥学院科研发展基金（编号：13KY01ZR）。
作者简介：干开峰（1974—），男，安徽和县人，实验师，研究方向为嵌入式系统，无线传感网络。Tel：（0551）62158573；E-mail：gankf@hfuu.edu.cn。无线传感器网络（WSN）作为一种新兴的网络，在近年来得到了迅速发展。其中，IEEE 802.15.4-2006标准于2006年9月份正式发布，是众多WSN的基础。WSN一般并不以孤立网络的形式存在，而是通过一定的方式与互联网相连，以便通过互联网上的设备对其进行管理、控制和访问[1]。IPv6巨大的地址空间可以为每个嵌入式监测设备分配1个全局唯一的IP地址，满足特定应用环境下WSN节点的全球唯一标识的需求[2]。将IPv6引入WSN后，可以很方便地接入互联网，省去了复杂的协议转换，同时降低了应用成本，极大地扩展了WSN的应用[3]。IPv6和WSN的结合是目前国内外一个较为热门的研究方向，2004年，IETF（the internet engineering task force）工作组提出了一种解决方案——6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN），实现了IPv6和IEEE802.15.4网络的无缝连接[4]，并且正式成立了6LoWPAN工作组。随着设施农业的发展，全国的大棚数量已经超过百万公顷，但其中80%的大棚缺乏环境监测、监控手段及信息化管理手段[5]。将无线传感器网络应用于农业大棚环境监测系统中已经成为温室监测领域研究的热点。本研究设计基于6LoWPAN的无线传感网络系统，以农业温室大棚环境监测为背景。
1系统总体设计
1.16LoWPAN概述
IEEE 802.15.4作为LoWPAN网络标准，只定义了物理层（PHY层）和MAC层。PHY层包括射频收发器和底层控制模块；MAC层为上层访问物理信道，提供点到点通信的服务接口[6]。IETF 6LoWPAN定义IPv6在IEEE 802.15.4链路上的通信，同时实现与其他IPv6设备之间的互操作。6LoWPAN的网络协议栈如图1所示。
6LoWPAN网络底层采用IEEE802.15.4标准，网络层采用IPv6协议。为了使IPv6能运行在IEEE 802.15.4标准之上，6LoWPAN在协议栈中引入了1个适配层，该层可以实现网络拓扑管理、地址管理、分片和重组、头部压缩、组播支持等功能[7-8]。采用6LoWPAN体系结构构建的WSN，能够实现设备以全IP方式进行互连。
1.2系统总体方案
基于6LoWPAN无线传感器网络的农业温室大棚环境监测系统包括6LoWPAN无线传感器网络、6LoWPAN网关、Internet 主干网和远程终端用户等4个部分，详见图2。
2系统实现
2.16LoWPAN节点设计
6LoWPAN节点硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、传感器和电源组成。
无线收发模块选用TI公司推出的第二代IEEE 802.15.4 RF收发器CC2520射频芯片。CC2520主要用于2.4GHz的ISM频段，为各种应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载[9]。
数据处理MCU选用ATmega128L处理器，ATmega128L为8位低功耗、高性能的微处理器，具有片内128 kB 的FLASH、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM；同时具有UART、SPI、I2C等总线接口[10]。
在应用于温室大棚环境监测，采集监测区域的温度、湿度和光照强度等信息的过程中，基于性能和价格考虑，温度传感器选用DS18B20，湿度传感器选用HS1101，光照强度传感器
选用Po188。
6LoWPAN节点的硬件接口图见图3。
6LoWPAN节点接收来自远程终端用户的查询命令，进行传感器数据采集并发送的数据帧流程见图4。
从无线接口接收的IEEE802.15.4数据帧格式见表1，IEEE802.15.4帧头中的源地址为传感器节点的16位短地址，这样既提高了分片利用率，又加快了节点对数据包的处理速度。
2.26LoWPAN网关设计
6LoWPAN 网关的硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、有线传输网络接口模块和电源组成。
数据处理MCU模块选用Samsung 推出的S3C2440A微处理器，S3C2440A是一种16/32位的RISC结构芯片，内核为ARM920T，采用MMU、AMBA、BUS和Harvard的高速缓存结构，具有独立的8字长16 kB 指令缓存器和16 kB数据缓存本系统中由于6LoWPAN节点实现IP方式，6LoWPAN 网关不再负责协议转换，其主要功能是连接WSN与互联网，实现数据包的路由转发[13]。网关内部存储了一张地址映射表，用于传感器节点的IPv6地址和16位短地址的双向快速转换。 6LoWPAN 网关收发数据帧流程如图6所示。
4结论
本研究基于无线传感网络技术的发展，以农业温室大棚环境监测为背景，架构6LoWPAN无线传感器网络实时监控系统，对6LoWPAN节点和6LoWPAN的硬件部分和软件部分的设计进行了详细的阐述。通过测试，本系统很好地实现了WSN与IPv6网络之间的直接互联和数据交互，有利于对农业温室大棚环境实时监测、预警以及科学指导。本系统可以在基于IPv6网络的多种无线监测领域进行应用，具有很大的
研究前景和推广价值。
参考文献：
[1]霍宏伟，张宏科，郜帅，等. 一种IPv6无线传感器网络节点的设计与实现[J]. 计算机应用，2006，26（2）：303-306.
[2]Oliveira L M L，Rodrigues J J P C，Macao B M，et al. End-to-end connectivity IPv6 over wireless sensor networks[C]//Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），Third International Conference on，2011：1-6.
[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.
[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.
[5]袁志强.基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2012，40（11）：396-397.
[6]IEEE 802.15.4 Standard（2003）Part 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（LR-WPANs）[S]. New York：IEEE-SA Standards Board，2003.
[7]毛妙. 6LoWPAN适配层与ND协议的研究与实现[D]. 上海：华东师范大学，2007.
[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络[J]. 南京理工大学学报：自然科学版，2010，34（1）：56-60.
[9]阮越广. 基于SimpliciTI的无线智能热量表硬件设计[J]. 仪表技术与传感器，2012（1）：34-35，62.
[10]胡强，张海辉，徐巧年. 基于短消息的无线传感器监测系统设计[J]. 农机化研究，2010，32（2）：113-116，215.
[11]满莎，杨恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J]. 计算机应用，2010，30（9）：2541-2544.
[12]施勇，温阳东. 基于DM9000A的嵌入式以太网接口设计与实现[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（4）：519-524.
[13]王晓喃，钱焕延，唐振民. 基于6LoWPAN的无线传感器网络路由协议[J]. 计算机应用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飞凰，高舸. 适宜马铃薯储藏的环境参数智能调节系统[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：374-376.
关键词：温室监测；无线传感器网络；6LoWPAN；IPv6；IEEE802.15.4
中图分类号： TP393；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0371-03
收稿日期：2013-11-30
基金项目：安徽省高校省级自然科学研究项目（编号：KJ2012B151）；合肥学院科研发展基金（编号：13KY01ZR）。
作者简介：干开峰（1974—），男，安徽和县人，实验师，研究方向为嵌入式系统，无线传感网络。Tel：（0551）62158573；E-mail：gankf@hfuu.edu.cn。无线传感器网络（WSN）作为一种新兴的网络，在近年来得到了迅速发展。其中，IEEE 802.15.4-2006标准于2006年9月份正式发布，是众多WSN的基础。WSN一般并不以孤立网络的形式存在，而是通过一定的方式与互联网相连，以便通过互联网上的设备对其进行管理、控制和访问[1]。IPv6巨大的地址空间可以为每个嵌入式监测设备分配1个全局唯一的IP地址，满足特定应用环境下WSN节点的全球唯一标识的需求[2]。将IPv6引入WSN后，可以很方便地接入互联网，省去了复杂的协议转换，同时降低了应用成本，极大地扩展了WSN的应用[3]。IPv6和WSN的结合是目前国内外一个较为热门的研究方向，2004年，IETF（the internet engineering task force）工作组提出了一种解决方案——6LoWPAN（IPv6 over LoWPAN），实现了IPv6和IEEE802.15.4网络的无缝连接[4]，并且正式成立了6LoWPAN工作组。随着设施农业的发展，全国的大棚数量已经超过百万公顷，但其中80%的大棚缺乏环境监测、监控手段及信息化管理手段[5]。将无线传感器网络应用于农业大棚环境监测系统中已经成为温室监测领域研究的热点。本研究设计基于6LoWPAN的无线传感网络系统，以农业温室大棚环境监测为背景。
1系统总体设计
1.16LoWPAN概述
IEEE 802.15.4作为LoWPAN网络标准，只定义了物理层（PHY层）和MAC层。PHY层包括射频收发器和底层控制模块；MAC层为上层访问物理信道，提供点到点通信的服务接口[6]。IETF 6LoWPAN定义IPv6在IEEE 802.15.4链路上的通信，同时实现与其他IPv6设备之间的互操作。6LoWPAN的网络协议栈如图1所示。
6LoWPAN网络底层采用IEEE802.15.4标准，网络层采用IPv6协议。为了使IPv6能运行在IEEE 802.15.4标准之上，6LoWPAN在协议栈中引入了1个适配层，该层可以实现网络拓扑管理、地址管理、分片和重组、头部压缩、组播支持等功能[7-8]。采用6LoWPAN体系结构构建的WSN，能够实现设备以全IP方式进行互连。
1.2系统总体方案
基于6LoWPAN无线传感器网络的农业温室大棚环境监测系统包括6LoWPAN无线传感器网络、6LoWPAN网关、Internet 主干网和远程终端用户等4个部分，详见图2。
2系统实现
2.16LoWPAN节点设计
6LoWPAN节点硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、传感器和电源组成。
无线收发模块选用TI公司推出的第二代IEEE 802.15.4 RF收发器CC2520射频芯片。CC2520主要用于2.4GHz的ISM频段，为各种应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载[9]。
数据处理MCU选用ATmega128L处理器，ATmega128L为8位低功耗、高性能的微处理器，具有片内128 kB 的FLASH、4 kB的SRAM和4 kB的EEPROM；同时具有UART、SPI、I2C等总线接口[10]。
在应用于温室大棚环境监测，采集监测区域的温度、湿度和光照强度等信息的过程中，基于性能和价格考虑，温度传感器选用DS18B20，湿度传感器选用HS1101，光照强度传感器
选用Po188。
6LoWPAN节点的硬件接口图见图3。
6LoWPAN节点接收来自远程终端用户的查询命令，进行传感器数据采集并发送的数据帧流程见图4。
从无线接口接收的IEEE802.15.4数据帧格式见表1，IEEE802.15.4帧头中的源地址为传感器节点的16位短地址，这样既提高了分片利用率，又加快了节点对数据包的处理速度。
2.26LoWPAN网关设计
6LoWPAN 网关的硬件结构主要由无线收发模块、数据处理MCU模块、有线传输网络接口模块和电源组成。
数据处理MCU模块选用Samsung 推出的S3C2440A微处理器，S3C2440A是一种16/32位的RISC结构芯片，内核为ARM920T，采用MMU、AMBA、BUS和Harvard的高速缓存结构，具有独立的8字长16 kB 指令缓存器和16 kB数据缓存本系统中由于6LoWPAN节点实现IP方式，6LoWPAN 网关不再负责协议转换，其主要功能是连接WSN与互联网，实现数据包的路由转发[13]。网关内部存储了一张地址映射表，用于传感器节点的IPv6地址和16位短地址的双向快速转换。 6LoWPAN 网关收发数据帧流程如图6所示。
4结论
本研究基于无线传感网络技术的发展，以农业温室大棚环境监测为背景，架构6LoWPAN无线传感器网络实时监控系统，对6LoWPAN节点和6LoWPAN的硬件部分和软件部分的设计进行了详细的阐述。通过测试，本系统很好地实现了WSN与IPv6网络之间的直接互联和数据交互，有利于对农业温室大棚环境实时监测、预警以及科学指导。本系统可以在基于IPv6网络的多种无线监测领域进行应用，具有很大的
研究前景和推广价值。
参考文献：
[1]霍宏伟，张宏科，郜帅，等. 一种IPv6无线传感器网络节点的设计与实现[J]. 计算机应用，2006，26（2）：303-306.
[2]Oliveira L M L，Rodrigues J J P C，Macao B M，et al. End-to-end connectivity IPv6 over wireless sensor networks[C]//Ubiquitous and Future Networks（ICUFN），Third International Conference on，2011：1-6.
[3]da Silva C B，Rodrigues J J P C，Oliveira L M L，et al. Design and construction of a wireless sensor and actuator network gateway based on 6LoWPAN[C]//Lisbon：International Conference on Computer as a Tool（EUROCON），2011 IEEE，2011：1-4.
[4]Suryady G，Sarwar U，Abbas M. A gatway solution for wirless sensor networks[C]. St Petersburg：ICUMT，2009.
[5]袁志强.基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2012，40（11）：396-397.
[6]IEEE 802.15.4 Standard（2003）Part 15.4：Wireless medium access control（MAC）and physical layer（PHY）specifications for low-rate wireless personal area networks（LR-WPANs）[S]. New York：IEEE-SA Standards Board，2003.
[7]毛妙. 6LoWPAN适配层与ND协议的研究与实现[D]. 上海：华东师范大学，2007.
[8]向浩，李堃，袁家斌. 基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络[J]. 南京理工大学学报：自然科学版，2010，34（1）：56-60.
[9]阮越广. 基于SimpliciTI的无线智能热量表硬件设计[J]. 仪表技术与传感器，2012（1）：34-35，62.
[10]胡强，张海辉，徐巧年. 基于短消息的无线传感器监测系统设计[J]. 农机化研究，2010，32（2）：113-116，215.
[11]满莎，杨恢先，彭友，等. 基于ARM9的嵌入式无线智能家居网关设计[J]. 计算机应用，2010，30（9）：2541-2544.
[12]施勇，温阳东. 基于DM9000A的嵌入式以太网接口设计与实现[J]. 合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（4）：519-524.
[13]王晓喃，钱焕延，唐振民. 基于6LoWPAN的无线传感器网络路由协议[J]. 计算机应用研究，2009，26（10）：3881-3882，3887.尹飞凰，高舸. 适宜马铃薯储藏的环境参数智能调节系统[J]. 江苏农业科学，2014，42（9）：374-376.