基于IPv6的无线传感网络设计

引 言

传感网络技术作为物联网的核心技术之一，一直是国内外研究热点，其中无线传感网络部署简单、维护方便，成本低， 相对有线传输更具有灵活性，在环境监测、农业管理、医疗、及工业监控等多方面具有广泛应用前景。

目前大多数无线传感网络都不是基于IP 的网络架构，要想使传感节点接入IP 网络，必须要专门设计一个支持其他私有协议的转换网关，由于网关固有的复杂性，协议转换过程中很可能会破坏双方的网络模型，在大规模网络部署后的网络管理与故障检查方面会有很多不足。端到端IP 网络架构网络层采用IP 技术，具有很好的互通性与稳定性，应用层可以支持多样性的需求，相对传统网关具有很多优势，支持端到端IP 架构的传感网络是未来迎接大规模可控传感网络的潜在发展方向。

但以 IP做基础的无线传感网络规模化应用面临两个问题 ：IPv4地址枯竭与传感节点成本限制。要无限地延伸网络边界，实现全网络融合与通信，开展全网络协同服务，必须要使全网系统中最基础层的被标记物具有网络IP地址 ；传统IPv4地址资源即将枯竭，而 IPv6协议具有充足的地址空间，可为需要海量地址的物联网服务[1,2]。另一方面，无线传感网

络节点要求体积小且成本低，并且多部署在不易取电的位置，这就要求传感节点内存资源有限，且工作低功耗 [3]。

为此，结合低功耗 802.15.4 数据链路层和物理层协议及 IPv6 网络层协议的 6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）协议栈被 提出，通过 6LoWPAN 适配层对 IPv6 数据包进行分片和重组，完成 IPv6 网络层与 802.15.4 物 理层的融合 [4-6]。Contiki 是专为内存受限的硬件平台开发的操 作系统，该系统开源且集成了6LoWPAN 协议栈 [7]。

论文将采用具有6LoWPAN 协议栈的Contiki 嵌入式操作系统进行传感节点设计；研制支持 6LoWPAN 协议栈的IPV4/ IPV6 双栈边缘路由器，完成传感节点数据向以太网的转发； 在教育网IPv6 环境下搭建基于IPv6 的无线传感网络系统进行测试。

1 IPv6传感网络总体设计

在教育网IPv6 环境下构建如图 1 所示的无线传感网络。

无线传感网络由IPv6 传感节点、IPv6 路由、管理服务器所构成。本设计中，无线传感节点采集环境的温度、湿度与光照度信息。

基于 6LoWPAN 传感节点与IPv6 主机间的 3 层路由过程如图 2 所示。传感器感知环境温、湿度以及光照等信息，将数据传给节点的主芯片，在主芯片内完成对数据包的处理，经过 6LoWPAN 适配层的头压缩，将数据以 802.15.4 数据包格式发送出去，6LoWPAN 无线网卡上射频芯片接收数据包，在网卡主芯片完成 6LoWPAN 适配层重组，再经过通用串行总线接口将数据转发到路由器，通过路由器以 802.3 协议规定转发到IPv6 以太网络中。整个过程经过 IPv6 传感网关完成 IPv6 分组的压缩和解压缩，执行 6LoWPAN 短地址与IPv6 地址的映射，实现了传感网络与IP 网络的融合。

下面将分别对IPv6 传感节点和IPv6 传感网关进行说明。

2 IPv6传感节点设计

传感节点功能示意图见图 3，主要分为主控及通信控制模块、数据采集模块、RF 通信模块及射频天线单元等几部分。

主控模块采用 Atmel 1284P 作为主芯片， 采用支持6LoWPAN 协议栈的 Contiki 作为操作系统。通过 Contiki 为传感节点分配 IPv6 地址。传感器选择SHT11 温、湿度传感器以及光敏电阻。节点射频部分采用Atmel 的AT86RF231，通过同步串行与主芯片通信。节点天线电路采用两个SMA 转接头外置，利用Johanson 公司的 2450BM15A0002 平衡滤波器芯片实现射频通信芯片输出差分信号转变为单端信号。

3 支持 IPv4/IPv6双栈的传感网络网关设计

传感网络网关由两部分构成，一部分是IPv6无线网卡， 另一部分是基于 OpenWRT的IPv6边缘路由器。

IPv6无线网卡在IPv6边缘路由器与传感节点间起桥接作用，它同样采用Contiki作为操作系统，内置 6LoWPAN协议栈， 通过 6LoWPAN适配层对IPv6报文分片与重组。

IPv6 无线网卡的功能示意图如图 4。主要分为主控模块，射频通信模块和射频天线三部分。主控模块芯片采用Atmel 公司的 AT90USB1287，射频模块芯片同样采用Atmel 的AT86RF231，天线采用Antenova 公司的小尺寸 2.4 GHz 贴片天线 A5839。

IPv6 无线网卡与传感节点均采用 Contiki 作为操作系统， 通过一系列进程完成数据的收发。

IPv6 边缘路由器利用市面上已有的基于 OpenWRT 的IPv4 路由器进行开发。首先，基于 OpenWRT 的编程将IPv4 路由器升级，使其同时支持IPv4/IPv6 双栈，完成 6LoWPAN IPv6 传感网络的数据转发 ；其次，开发基于 USB 的IPv6 网卡驱动，可以识别传感网络的数据包，并通过路由器Linux 内核转发数据包，实现传感网络与互联网的互通。

图 5 为边缘路由器驱动实现示意图。整个驱动分两个部分，一个是 USB 驱动，实现USB 控制器对插入无线网卡的识别，进行数据传输 ；另一个是对网络的驱动，即实现对 6LoWPAN 协议栈的支持和 IPv6 数据包的转发。通过对Linux 内核的系统资源配置，实现上述功能。

4 性能测试

依托 CERNET2 华中地区主干网华中科技大学子网，在下一代互联网国家工程实验室按照图 1搭建IPv6联网系统。通过 Contiki对节点与网卡分配 IPv6地址，6LoWPAN无线网卡地址 ：2001:250:4000:4407：：1；传感节点地址 2001： 250:4000:4407：：1d。地址分配如图 6所示。

通过天津教育网对IPv6 无线网卡进行网络连通性测试， ping 网卡地址结果如图7 所示，在远端能得到网卡的回复报文， 网络线路连通正常。

测试 IPv6 传感节点的网络连通性，天津教育网 Ping 节 点地址如图 8 所示，同样可以看到，节点收到发来的数据包并 且回复响应的报文，从客户远端到节点网络是正常连通的。

客户终端在管理服务器通过传感节点的编号即传感节点 IPv6 地址查找特定传感节点，可以远程配置传感节点的采样 时间与采样间隔，实时查看传感节点采集环境信息如图 9 所示。

图 9 通过管理服务器远程查看传感节点数据

4 结 语

本文将 IPv6 技 术应 用于无 线传感 网络， 采用具 有 6LoWPAN 协议栈的 Contiki 嵌入式操作系统开发 IPv6 传感 节点和 IPv6 无线网卡，研制了支持 6LoWPAN 协议栈的 IPv4/ IPv6 双栈边缘路由器。在教育网 IPv6 环境下的测试表明 ：传 感节点及边缘路由器均支持基于 6LoWPAN 通信协议，在开 发的物联网管理平台上可实现对 IPv6 传感节点的远程管理与 控制。