基于6LOWPAN传感器网关设计

摘要 在研究6LoWPAN无线传感器网络以及IPv6网络的基础上，提出一种基于6LoWPAN的传感器网关解决方案，实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络之间互联，并对网关中的硬件与软件设计进行论述。最后搭建测试网络，通过对端到端网络的连接性、延时变化、往返延时、丢包率以及吞吐量的测试，对该网络性能作出简要分析。测试结果表明，该网关实现了6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络的互联，并能在实际网络环境中运行。
关键词 6LoWPAN；网关；IPv6；无线传感器网络：Contiki

目前IEEE 802．15．4已成为针对低功耗、低数据速率、低可靠性的通用标准。如ZigBee、WirelessHART等在物理层和MAC层均采用IEEE 802．15．4标准，但在网络层它们采用各自定义的协议，不能实现网络层的互联。且无线传感器网络一般采用自定义的通信地址，地址数量有限，仅在单个无线网络内有效。而IPv6具有充足的地址空间，IPv6所具有的特性较好地满足物联网应用需求，是物联网大规模发展的基础性保证。因此，物联网采用IPv6协议实现其广泛互联通成为必然趋势。IETF成立了3个工作组进行低功耗IPv6网络方面的研究，旨在将IPv6与资源受限的无线网络无缝连接。
文中对基于6LoWPAN的无线传感器网络以及IPv6网络进行了研究，主要目标在于设计和实现一种基于6LoWPAN的传感器网关。实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6有线网络之间互联，建立一种能普遍应用的系统平台架构，并在软硬件上进行实现和应用。

1 研究概况
将IPv6技术引入无线传感网络可便于实现与IPv6有线网络设备端对端的通信，提高了转发效率，增强了安全性。文献中提出了IPv6无线传感器网络体系结构，旨在实现IPv6技术与无线传感器网络技术的融合，并讨论了采用网关接入方式，实现无线传感器网络与现有网络的互联。
对于传感器网关架构的研究，有3种不同的设计思想。一是文献设计的网关，客户端通过采用Web技术获取无线传感器节点的数据信息。这类解决方案的缺点是使用专有的协议连接传感器节点，相当于在无线传感器网络与Internet之间放置了代理服务器，并不能实现客户端与传感器节点直接通信；二是文献设计的网关，是基于具体应用而设计的，描述了在该应用场景下网关的信息交互，并未涉及网关的软硬件设计；三是文献设计的基于6LoWPAN的无线传感器网关架构。文献提出了基于6LoWPAN的无线传感器网关架构，实现6LoWPAN无线传感器网络短地址与IPv6地址之间直接转换，分析了数据包的传输过程，但未涉及网关的软硬件设计；文献实现IPv6无线传感器网络的端到端通信，但也没有对网关的软硬件设计进行论述；文献虽着重于网关的软硬件设计，但未对网关及整体系统的性能进行分析。
而文献只关注了网络性能方面的测试。
文中提出一种采用网关接入方式实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络互联的整体架构，并对网关中的硬件与软件设计进行论述，最后搭建测试网络对系统的性能进行分析。

2 网关设计
6LoWPAN网关接入方式实现6LoWPAN无线传感器网络与IPv6网络互联的系统架构如图1所示。系统分为4个部分：6LoWPAN传感器节点、6LoWPAN网关、6LoWPAN服务器以及IPv6用户终端。所有无线设备采用Contiki OS作为操作系统。物理层和MAC层遵循IEEE 802．15．4标准，集成了6LoWPAN适配层和uIPv6协议栈，具备邻居发现、自动组网等功能，能支持构建功能完善的基于IPv6的无线传感器网络。传感器节点可以将采集的监测数据通过ContikiRPL路由汇聚到网关，网关进行协议转换及将数据的转发到服务器，服务器将对数据进行分析、处理和存储，而IPv6客户端可以通过访问服务器对网络进行有效的控制和管理。

2．1 硬件设计
网关硬件构成如图2所示。该智能无线网关基于OPENWRT系统，具备3个局域网口，1个广域网口，1个802．11a／b／g WiFi无线网络接口，1个标准USB口和1个可选的串口调试口。WAN口连接如IPv6或IPv4有线网络现有外界网络等。USB口连接USBStick能支持IEEE 802．15．4标准，可以与WSN内的任何节点通信。