張宏科　梁露露　高德云

摘要:將IPv6與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了越來越多國內(nèi)外研究機構(gòu)與組織的重視。為了實現(xiàn)IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的完美融合,需要全面設(shè)計新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。文章充分考慮IPv6以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點,提出IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu),并開發(fā)出一套適用于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)實際應(yīng)用需求,給出IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)的兩種不同方式,并給出一個在精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中典型應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò);IPv6協(xié)議;協(xié)議棧;互聯(lián);精準農(nóng)業(yè)

Abstract: IPv6 WSNs which integrates both IPv6 and WSNs merits attracts more and more domestic and foreign research institutes and organizations. However, to realize a perfect integration between IPv6 and WSNs technology, we have to design a novel architecture of WSN. In this paper, considering the technology features of IPv6 WSNs, we design a new architecture of WSN, and the embedded Micro-IPv6 protocols applicable to large scale of WSNs are proposed. On this basis, according to the actual application requirements, two interconnected modes between IPv6 WSNs and Internet and a typical example of application in precision agriculture are given.

Key words: wireless sensor networks; IPv6 protocol; protocol stack; interconnect; precision agriculture

IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新興的網(wǎng)絡(luò)形態(tài),它把IPv6技術(shù)融入無線傳感器網(wǎng)絡(luò),采用分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建開發(fā)式的網(wǎng)絡(luò)體系,不僅能解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet間的互連互通問題,同時解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)固有的缺點,如需要數(shù)量巨大的地址資源、需要實現(xiàn)有效地址管理機制、缺乏應(yīng)有的安全機制等問題。

1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中引入IP技術(shù)有著重要意義[1]:

(1)經(jīng)濟價值方面?？梢岳矛F(xiàn)有成熟的IP技術(shù)和已有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施實現(xiàn)IP-Based的應(yīng)用,不需要額外的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),大大減少應(yīng)用成本。

(2)知識產(chǎn)權(quán)方面。IP網(wǎng)絡(luò)普遍性使得IP組網(wǎng)技術(shù)相對其他專用或新型組網(wǎng)技術(shù)更容易被人們接受。

(3)互聯(lián)互通方面。IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用與Internet相同的IP技術(shù),可以更容易地實現(xiàn)其與現(xiàn)有外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

(4)應(yīng)用方面。在安全監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域,IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)更具有抗毀魯棒性,可以及時有效地監(jiān)測災(zāi)害的發(fā)生以減少災(zāi)害所造成的損失。因此在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中采用IP技術(shù)是未來研究的主要方向。

將IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合,在大規(guī)模節(jié)點組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中具有特殊優(yōu)點。

鑒于此,IETF于2004年11月正式成立了6LoWPAN[2-5]工作組,著手制訂基于IPv6的低速無線個域網(wǎng)標準,旨在將IPv6引入以IEEE 802.15.4作為底層標準的無線個域網(wǎng)中。當(dāng)前此工作組正處于草案征集階段,許多組織和個人已經(jīng)提交了有價值的草案,各項技術(shù)都還只是處于理論研究及不斷探討中。

IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)是IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的融合,具有兩者各自部分特征,同時也具有其獨特性。這種獨特性,決定了IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)不適合直接采用IPv6網(wǎng)絡(luò)或無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),主要體現(xiàn)在:(1)傳統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不支持IPv6協(xié)議,無法實現(xiàn)與下一代互聯(lián)網(wǎng)的直接融合,不支持端到端通信,可擴展性不高。(2)IPv6作為下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議,充分考慮了網(wǎng)絡(luò)中的各種問題,已經(jīng)形成一套功能強大、魯棒性好的協(xié)議體系,無法應(yīng)用在存儲資源和處理資源受限的傳感器網(wǎng)絡(luò)中。因此,必須在充分考慮到此網(wǎng)絡(luò)的特點和特殊性的前提下,重新構(gòu)建基于IPv6的傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

目前國際上有很多科研機構(gòu)和組織研究IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)及協(xié)議棧,如Arch Rock[6],uIPv6[7-8]等。Arch Rock是一個致力于IP-Based無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的公司,其開發(fā)的Arch Rock IP/6LoWPAN協(xié)議棧以IETF工作組提出的6LoWPAN標準為核心技術(shù),支持IEEE802.15.4標準。uIPv6是由Cisco、Atmel和SICS共同開發(fā),于2008年發(fā)布的IPv6微型協(xié)議棧。其前身是uIP,是由瑞典計算機科學(xué)學(xué)院(網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)小組)Adam Dunkels開發(fā)的適用于嵌入式開發(fā)的傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議(TCP/IP)棧。然而uIPv6并不具備傳感路由協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)管理等,另外有關(guān)uIPv6的產(chǎn)品還未進入商業(yè)階段,還遠不能適應(yīng)于大規(guī)模無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

北京交通大學(xué)從2003年就開始緊密跟蹤和研究IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的最新技術(shù),并于2004年9月研發(fā)出一套適用于小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的嵌入式IPv6微型協(xié)議棧MSRLab6[9],該協(xié)議棧遵循6LoWPAN規(guī)范,同樣嚴格支持IEEE 802.15.4標準。該協(xié)議棧去掉了不必要的組件及擴展功能,使得IPv6、ICMPv6、ND、TCP、UDP等協(xié)議得到較大精簡;直接面向硬件,設(shè)計獨立于操作系統(tǒng)的調(diào)度機制;為提高運行效率,采用了最大容量限制的內(nèi)存分配方案;設(shè)計了基于事件和數(shù)據(jù)類型驅(qū)動的應(yīng)用程序接口。

MSRLab6微型傳感路由器體系結(jié)構(gòu)(見圖1)自下而上由通信域、計算域和應(yīng)用域組成,其中計算域采用了簡化的IPv6微型協(xié)議棧和自主研發(fā)的微型傳感路由協(xié)議(MSRP)[10]。

(1)通信域

通信域包含載波監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)收發(fā)功能,并支持包含IEEE802.15.4標準在內(nèi)的多種物理層接口,實現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)幀的傳輸。

(2)計算域

計算域包含路由轉(zhuǎn)發(fā)模塊,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的基本功能,包括IPv6微型協(xié)議棧MSRLab6及IPv6 MSRP。在節(jié)省無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)資源的同時提供應(yīng)用層數(shù)據(jù)的IPv6封裝和解析,實現(xiàn)與現(xiàn)有TCP/IPv6協(xié)議體系的網(wǎng)絡(luò)進行通信;適用于IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的路由協(xié)議MSRP,用于IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸時建立和維護路由[11]。

(3)應(yīng)用域

應(yīng)用域包括應(yīng)用模塊、傳感模塊、管理模塊等。采用基于接口的獨特設(shè)計,用于應(yīng)用層與IPv6微型協(xié)議棧通信,實現(xiàn)系統(tǒng)的各種應(yīng)用功能。

MSRLab6微型傳感路由器結(jié)構(gòu)基于IPv6數(shù)據(jù)傳輸與互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)兼容,無需復(fù)雜的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備;而路由機制與數(shù)據(jù)傳輸分離,具有傳感器網(wǎng)絡(luò)自身應(yīng)用的特點能夠保證路徑最優(yōu),并減少選路的能耗和計算復(fù)雜度。2005年12月由北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)研究中心研制的中國首臺具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備——BJTU IPv6微型傳感路由器,并通過了中國教育部組織的科技成果鑒定,通過該設(shè)備可以實現(xiàn)下一代互聯(lián)網(wǎng)中“人與物”、“物與物”之間隨時隨地的通信,具有體積小、成本低、功耗低、組網(wǎng)簡單方便等特點,這項成果解決了傳感器網(wǎng)絡(luò)的一系列關(guān)鍵技術(shù)問題,部分技術(shù)達到國際領(lǐng)先水平。由此,IPv6微型協(xié)議棧的傳感路由器可以采用IPv6全球合法地址進行通信,實現(xiàn)了真正端到端通信,實現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的無縫融合,使部署“無所不在”的傳感器網(wǎng)絡(luò)成為可能。

2 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)

將IPv6技術(shù)引入無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以方便實現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備端對端的通信,提高了轉(zhuǎn)發(fā)效率,增強了安全性。根據(jù)不同的應(yīng)用需求,IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通主要有兩種:直接接入方式、網(wǎng)關(guān)接入方式。

(1)直接接入方式

當(dāng)IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有移動設(shè)備進入,需要獲取傳感器節(jié)點采集的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息時,如果按照常規(guī)方法即通過網(wǎng)關(guān)接入Internet網(wǎng)絡(luò)再經(jīng)Internet網(wǎng)絡(luò)與移動設(shè)備進行互聯(lián)的方式通信,顯然是不夠靈活的。而且網(wǎng)關(guān)接入方式在傳輸數(shù)據(jù)時中間節(jié)點的能量損耗會進一步加劇,整個互聯(lián)過程中會造成較大的通信負擔(dān)。因此可以采用移動終端直接與區(qū)域內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信的方式進行互聯(lián),這樣便簡化了網(wǎng)絡(luò)接入的模型。這種方式下,IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以不需要特殊的中間節(jié)點或者網(wǎng)關(guān)進行轉(zhuǎn)發(fā),直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò),成為網(wǎng)絡(luò)終端,實現(xiàn)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的無縫融合。Pv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的直接接入方式如圖2所示。

當(dāng)移動終端進入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)采用直接互連方式與傳感器節(jié)點進行通信時,移動終端可根據(jù)IPv6協(xié)議首先進行網(wǎng)絡(luò)地址的自動配置。由于移動終端和傳感器節(jié)點均配置了IPv6協(xié)議,因此兩者可使用鏈路本地地址根據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行直接、便捷的通信。在環(huán)境監(jiān)測的應(yīng)用環(huán)境中,管理者可以手持移動終端進入傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,通過與節(jié)點的直接互聯(lián)獲得感興趣的數(shù)據(jù)。在這種情況下,傳感器節(jié)點通常位于視距范圍內(nèi),與移動設(shè)備僅一跳之隔。移動終端通過發(fā)送數(shù)據(jù)請求建立通信,這樣大大降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的復(fù)雜程度,減少了在數(shù)據(jù)獲取過程中造成的能量損耗,延長了節(jié)點的使用壽命。

(2)網(wǎng)關(guān)接入方式

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備低成本、低功耗、低復(fù)雜性的要求以及接入網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的多樣性,決定了每個IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都直接接入現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是不切實際的。通常,設(shè)備的程序存儲區(qū)和數(shù)據(jù)存儲區(qū)都非常有限,無法配置完備的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和大規(guī)模路由協(xié)議,因此,采用一種硬件資源相對豐富的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān))完成IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)互通。

Pv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的網(wǎng)關(guān)接入方式如圖3所示,IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備部署精簡的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧,將采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議匯聚到網(wǎng)際連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān)),網(wǎng)際連接設(shè)備進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)處理,接入各種承載網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到服務(wù)器;承載網(wǎng)可以是WiFi、以太網(wǎng)、GSM等,網(wǎng)關(guān)只需配置相應(yīng)的接入模塊即可。服務(wù)器端對監(jiān)測信息進行處理和分析,并存儲到數(shù)據(jù)庫中。用戶終端通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議訪問服務(wù)器,獲取IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息,實現(xiàn)對設(shè)備的訪問、控制以及有效的管理。

采用網(wǎng)際連接設(shè)備完成IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通,減少了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的復(fù)雜性,無需為每一個設(shè)備部署承載網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)備(以太網(wǎng)口、AP設(shè)備等),降低了應(yīng)用成本。另外,網(wǎng)際連接設(shè)備(網(wǎng)關(guān))只負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),不做網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層協(xié)議的處理,與ZigBee[12]、藍牙等網(wǎng)絡(luò)代理網(wǎng)關(guān)設(shè)備相比,增加了轉(zhuǎn)換效率,又沒有破壞端對端的控制,保證了數(shù)據(jù)的透明傳輸以及安全性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的不同,必須采用不同的承載網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)際連接設(shè)備可以擴展不同的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,接入各種承載網(wǎng)絡(luò),具有更強的靈活性。

3 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準農(nóng)業(yè)、安全監(jiān)測、環(huán)境保護、智能建筑、醫(yī)療監(jiān)護等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用前景[13]。北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)研究中心無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組,利用IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)成功實現(xiàn)了在精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用,在溫室部署大量的不同類型的傳感器節(jié)點,達到監(jiān)測控制溫室的目的。

在精準農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)了以下主要功能:

(1)環(huán)境監(jiān)測功能

各個溫室內(nèi)部署有溫度、濕度、CO2濃度、土壤濕度、光強傳感器監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測,用戶遠程獲知溫室內(nèi)環(huán)境信息并做出相應(yīng)控制措施,當(dāng)某個參數(shù)超過該設(shè)定值時,發(fā)出警報通知用戶。

(2)溫室內(nèi)設(shè)備控制功能

用戶獲知溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)后,可以根據(jù)各種植物要求的環(huán)境信息來遠程控制溫室內(nèi)的設(shè)備,滿足植物生長的環(huán)境。

IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精準農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用如圖4所示。該應(yīng)用系統(tǒng)部署在3個溫室內(nèi),根據(jù)用戶需要測試的位置點已經(jīng)固定,每個溫室中部署16個不同應(yīng)用類型的傳感器節(jié)點,包括2個土壤濕度、2個CO2濃度、4個空氣溫度、4個空氣濕度、3個室內(nèi)光強、1個室外光強傳感器節(jié)點,監(jiān)測農(nóng)作物的生長環(huán)境,采集節(jié)點可以直接傳輸數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)節(jié)點,承載網(wǎng)是CDMA網(wǎng),實現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。另外在在室外也布置一個光強節(jié)點,通過比較室內(nèi)外光的強度,從而決定是否放下或提起遮擋簾。

從實際應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)果看來,IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計滿足精準農(nóng)業(yè)的監(jiān)測控制等各項要求,各采集節(jié)點動態(tài)的選擇最優(yōu)路由傳輸采集到的信息,實現(xiàn)系統(tǒng)的功能,由于每個節(jié)點具有IPv6地址,管理員可以方便地根據(jù)地址來控制該節(jié)點。另外,可以看出該應(yīng)用系統(tǒng)靈活且可擴展,若改變節(jié)點傳感器的類型或系統(tǒng)應(yīng)用軟件,則可以應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的其他應(yīng)用領(lǐng)域,實現(xiàn)不同的應(yīng)用要求。

4 結(jié)束語

IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前通信領(lǐng)域的一個研究熱點,是信息感知和采集的一場革命,具有廣闊的應(yīng)用前景。IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將IPv6技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行融合具有重要意義,值得深入研究。

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收稿日期:2009-07-17

張宏科,北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”計劃)項目首席科學(xué)家,國家自然科學(xué)基金委信息科學(xué)部學(xué)科評審專家組專家,國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”計劃)資助項目“通信主題IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”任務(wù)專家組專家,高等學(xué)校電子信息科學(xué)與工程類教學(xué)指導(dǎo)委員會委員。主要研究領(lǐng)域為新一代移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。已發(fā)論文200余篇。

梁露露,北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)系在讀博士研究生,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

高德云,北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。已發(fā)表高水平論文50余篇,主持多項傳感器網(wǎng)絡(luò)方面科研項目,包含1項國家自然科學(xué)基金項目、1項“863”計劃項目、1項CNGI項目。