基于IPv6的无线传感网络设计

摘 要：无线传感网络接入互联网需要海量地址，将IPv6技术用于无线传感网络可解决地址资源不足的问题。论文采用具有6LoWPAN（IPv6 over Low Power wireless Area Network）协议栈的Contiki嵌入式操作系统进行传感节点设计；开发了支持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环境下搭建了基于IPv6的无线传感网络系统，并进行了测试。测试结果表明，所设计无线传感器、边缘路由器均支持基于6LoWPAN通信协议，通过浏览器可远程访问IPv6传感节点并能通过管理服务器获取实时采样数据。

关键词：IPv6 ；6LoWPAN ；无线传感网络；Contiki；远程访问；实时

中图分类号：TN92 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）03-00-03 0 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。

图1 IPv6无线传感网络架构

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。