基于6LoWPAN的无线传感器网络实现与性能分析

用 Байду номын сангаас无 线 模 块 是 Ｃ ２ ２ Ｃ ４ ０射频 芯 片 ， 过 编程 可 控 通
（ ） ｓｒ ｌ ｕｃ． 这 个 文 件 中 ， ｉｃｕｅ＜ ３ 将 ｅｉｓ ｒ ｅ ａｏ ｅ 将＃ｎｌｄ ｔｒｉｓｈ＞， 改成 ＃ｎｌｄ ｉｕ／ｅ ｏ． ｅｍｏ． 修 ｉｃ ｅ＜ｌ ｘ ｔｍｉ ｈ＞； ｕ ｎ ｒ ｓ 在 ｉ ｓ） ｆ ｒ 花括 号 的最一 开始 添加 下面 ４行 内容 ： （ｃ
ｗｉ ｅ ｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｔ ｒ ｒ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒ ｎｅ ｗｏ ｋ
ＸＵ ｉ Ｋａ ，ＲＯＮＧ ｎ —ｉ ｎ，ＬＩ Ｔａ Ｍｅ ｇ ｔａ Ｕ ｏ
（ ｐ ｒｍｅ ｔ ｆ ｌ ｔｏｉ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓ ａ ｇ ａ Ｊａ ｔｎ ｉｅｓｙ ｈ ｎ ｈ ２０ ４ Ｃ ｉａ Ｄｅａ ｔ ｎ ｅ ｒｎｃＥ ｇｎｅｉ ， ｈ ｎ ｈ ｉ ｉｏｏ ｇＵｎｖｒｉ ，Ｓ ａ ｇ ￣ ０ ２０， ｈｎ ） ｏＥ ｃ ｎ ｔ
络 的无缝 互联 。
资源有限， 要在储存器和处理器极其有 限的传感器
节 点上实 现 Ｉｖ 议 就必 须对 Ｉｖ 议 进行 精 简 Ｐ６协 Ｐ６协
收 稿 日期 ：２ １ ０ １—０ ７—１ １
基 金 项 目 ：上 海市 国 际科 技 合 作 基 金项 目（９ ０７ ３ ０ ） ０ ７ ０ １９ ０
０ 引 言
随着无 线 通信 、 集成 电路 、 感器 以及 微机 电 系 传 统 （ Ｅ ） 技术 的飞速 发展 ， 动 了低 成本 、 功 Ｍ ＭＳ 等 推 低 耗、 多功 能 的无 线 传感 器 的大 量 生 产 。无 线 传 感 器
１ ６ ｏ Ｐ Ｎ的体 系结构 Ｌｗ Ａ
为 了满足低 功耗的要求 ， 无线传感器 网络 的数据 链路层 使用 ＩＥ ０．５４标准 。ＩＥ ０ ．５ ４标 Ｅ Ｅ８２１． Ｅ Ｅ８２ １． 准设 计用 于开发 可 以靠 电池 运行 １到 ５年 的低功 率 廉价 嵌入 式设备 （ 如传 感器 ） Ｅ Ｅ８２ １． 备 。ＩＥ ０ ．５ ４设 和 Ｗｉ ｉ —Ｆ 一样运 行在 ２４ Ｈ 频 带 ， 功 率 仅约 为 ．Ｇ ｚ 但
然后 安装边 界 路 由器和节 点路 由器 到板 子上 。边 界
路 由器 的板 子 运 行 一 个 叫 ＩＢ ｓＳａ ｏ Ｐ ａｅ ｔ ｉ ｔ ｎ的程 序 ， 这
双 向选 择 天线 发送／ 接收 数据 。为 了与 Ｐ Ｃ通信 ， 系
个板 子 和 Ｐ ｃ通 过 串 口进行 通 信 ，ｃ上 会 运 行 一 个 Ｐ
内感知对象 的信息 ， 并将信息传送给需要的用户 。 Ｔ Ｐ Ｉ 议 的广 泛 成 功 应 用 已使 其 成 为 当 前 Ｃ ／Ｐ协
有线 网络事 实上 的标 准 ， 且 其 应 用 范 围正 逐 步 向 并 无线 领域 拓展 ， 因此 ， 如何实 现无 线传 感器 网络 与现
无线传 感器 网络 的网络层 采用 Ｉ 术 ， Ｐ技 要实 现
叫做 ｉ ｒ ｅ 的程 序 ， 个 程序 包 括 了路 由算 法 ， ｐ—ｄｉ ｒ ｖ 这 并且 会在 Ｐ Ｃ上 虚拟 出一 个 网络设 备 。 节点 路 由器 实 际上指 的就 是 网络 里 的 其 他节 点 ， 里 所 有 节 点 这 都具 有路 由的功能 ， 以能够 实 现多跳 的 网络 。 所
（ 海交 通大学电子工程系 ，上 海 ２ ０４ ） 上 ０ ２０
摘
要 ：简要 介 绍 了基 于 ６ ｏ Ｐ Ｎ的无 线传 感器 网络 的体 系结 构 ，并在 自主 开发 的硬 件 平 台上 Ｌｗ Ａ
通过 Ｔｎ Ｏ ｉｙ Ｓ和 Ｂ Ｉ ＬＰ协议栈 的移 植 ，设 计和 实现 了基 于 ６ ｏ Ｐ Ｎ的无 线传 感 器网络 。 同时 ，通 Ｌｗ Ａ 过 改 变发送 数据 包的 大 小以及 路 由的跳 数 ，测 量分 析 了可 以 正确接 收数 据 条件 下 节点 的 最短 发
作者简介 ：许恺（ ９７一） 男 ， １８ ， 硕士研究 生，研究方向为无线网络。
一
２ — ９
以适 合传 感器 网络 的使 用 。此外 ， 由于 Ｉｖ 据包 Ｐ６数 支 持 的数据 报 大小远 大 于 ＩＥ ０ ．５４帧所 能包 Ｅ Ｅ８２ １ ．
含 的字 节 数 （ ２ ｂ ｔ ） 需 在 网络 层 与 数 据 链 路 层 １７ ｙｅ ， ｓ 间引 入 了一 个适 配层 来完 成数据 分 片与数 据重 组等 功 能 。 ６ ｗ Ａ 正 是 基 于 这 一 需 求 设 计 的。 Ｏ Ｌ ＰＮ
采 用 的硬 件平 台是 由某 校 自主研 发 的无线传 感
器节点。
这 几个 文 件 中 添 加 ｌ ｅｎｄ（ Ｌ Ｔ Ｏ Ｍ— Ｉ ｆ ｅ Ｐ Ａ Ｆ Ｒ ＭＣ） ｄｉ
语句。
如 图 ２所 示 ， 整个 系统 是 利 用嵌 入 式 微 型控 制 器 （ Ｕ） ＭＣ 和无 线 模 块 设 计 的通 信 系 统 。系 统 能 实 现既定 范 围无 线 信号 的可 靠传 输 。同 时 ， 充分 考 虑 无 线 传感 器 网络 低 功 耗 的要 求 。平 台采 用 的 ＭＣ Ｕ 是 ＭＳ４０ 外 接 ８ ｉＦａｈ存 储器 以提 高 系统 存 Ｐ ３Ｘ， Ｍｂｔ ｌｓ 储 容 量 。Ｍ Ｐ ３ Ｘ可与各 种 传感 器 模 块 相连 ， 过 Ｓ ４０ 通 对 模块 端 口的读写来 控 制信 息 的采 集 。系统 中 的 ３ 个 Ｌ Ｄ信 号 灯 用 于 指示 系统 的运 行 状 态 。 系统 采 Ｅ
ｔ ｅ ｓｚ ｆｐ ｃ ｅｓ ａ ｄ ｍｕ ｉ ｇ ｈ ｐ ｈ ｉｅ ｏ ａ ｋ ｔ ｎ ｔｎ ｏ ｓ，ｉ ｍｅ ｓ ｒ ｓ ａ ｎ ｌｚ ｓｔ ｅ ｓ ｏｔ ｓ ｅ ｄ ｎ ｙ ｌ ｆｎ ｄ ｎ ｔ ｅ ｔ ａ ｕ ｅ ｎｄ ａ ａｙ ｅ ｈ ｒｅ ｔｓ ｎ ｉ ｇ ｃ ｃｅ ｏ ｏ ｅ ｉ ｈ ｈ ｃ ｓ ｆｒ ｃ ｉｉ ｇ ｔ ｅ ｆｇ ｔｄ ｔ ． ａ ｅ ｏ ｅ ｅｖ ｎ ｈ ｈ ａ ｉ ａ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： Ｗ Ｓ Ｎ；６Ｌ Ｗ Ｐ ｏ ＡＮ ；Ｔｉ ｙ ｎ ＯＳ
送周期 。
关键词 ：无线 传感 器 网络 ；６ ｏ Ａ ＬＷＰ Ｎ；ＴｎＯ ｉｙ Ｓ
Ｉ ｐ ｅ ｅ ｔ ｔｏ ｎ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｎ ｌ ｓｓ ｏ Ｌｏ ＰＡＮ－ ａ ｅ ｍ ｌ ｍ ｎ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ａ ａ ｙ ｉ ｆ６ Ｗ ｂ ｓｄ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｔ ｅ ｐ ｐ ｒｂ ｉ ｆ ｅ ｃ ｂ ｓｔ ｅ ａ ｃ ｉ ｃｕ ｅ ｏ Ｌ Ｗ Ｐ ｓｒ ｃ ： ｈ ａ ｅ ｒ ｌ ｄ ｓ ｒ ｅ ｈ ｒ ｈ ｔ ｔ ｒ ｆ ｏ ＡＮ－ ａ ｅ ｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｅ ｗ ｒ ｅ ｙ ｉ ｅ ６ ｂ ｓ ｄ ｗ ｒ ｌｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｏ ｋ，ａ ｄ ｎ ｈ ｏ ｇ ｒ ｓ ｌ ｎ ｉ ｉ ｙ ｎ Ｌ Ｐ ｐ ｏｏ ｏ ａ ｋ ｉ ｔ ｈ ｅｆ ｅ ｅ ｏ ｅ ａ ｄ ａ ｅ ｐ ａ ｏ ｍ ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｎ ｐ ａ ｔ ｇ ｔ ｅ Ｔ ｎ ＯＳ ａ ｄ ｔ ｅ Ｂ Ｉ ｒｔ ｃ ｌ ｔ ｃ ｎ ｏ ｔ ｅ ｓ ｌ ｄ ｖ ｌｐ ｄ ｈ ｒ ｗ ｒ ｌｔ ｒ ， ａ ｎ ｈ ｈ ｓ － ｆ ｉ ｄ ｓｇ ｓａ ｄ ｉ ｌｍｅ ｔ ｅ ６ ｏ Ｐ Ｎ— ａ ｅ ｉｅｅ ｓ ｓ ｎ ｏ ｅｗｏ ｋ Ａ ｅ ｓ ｍｅ ｔ ，ｂ ｈ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅｉｎ ｎ ｍｐ ｅ ｎ ｓ ｔ Ｌ Ｗ Ａ ｂ ｓ ｄ ｗ ｒ ｌ ｓ ｅ ｓ ｒｎ ｔ ｒ ． ｔｔ ａ ｉ ｈ ｈ ｍｅ ｙ ｃ ａ ｇｎ
“
一
物一地 址 ， 物 皆在 线 ” 需 要 大量 的 Ｉ 址 资 万 ， Ｐ地
源， 只有 Ｉｖ 够提 供 足 够 的地 址 资 源 ， Ｐ６能 满足 端 到 端 的通信 和管理 需求 。由于无线传 感器 网络节 点 的
有Ｉ Ｐ网络 的互联通信是无线传感器 网络所需解决
的关 键 问 题 之 一 。 ＩＴ 于 ２０ 年 底 成 立 的 ＥＦ ０４ ６ｏ Ａ ｋＷＰ Ｎ工 作 组 目前 正 致 力 于解 决 Ｉｖ Ｐ６与 ＷＳ Ｎ 的融合 问题 ， 目的就 是要 实 现 ＷＳ 其 Ｎ与 现 有 Ｉ Ｐ网
Ｉ Ｐ网络 。Ｔｎ Ｏ ｉ Ｓ和 Ｂ Ｉ 不 支 持 这 个 平 台 ， ｙ ＬＰ并 因此 需 要对 其进 行移 植 。
ＩＥ ０．５４ Ｅ Ｅ ８ ２ １ ． 物理 层
移 植工 作 的步骤 大致 如下 ：
图 １ ６ｏＰ Ｌｗ ＡＮ体系结构
（ ） 载 Ｔｎ Ｏ １卸 ｉｙ Ｓ自带 的 ＭＳ ４ ０一ｇｃ编 译 器 ， Ｐ３ ｃ
Ｗｉ ｉ １ 。 —Ｆ 的 ％
是一种集传感数据采集功能、 计算能力 、 无线通信能 力 于一体 的资 源受 限 的嵌入 式设 备 。而无线 传感 器
网络则 是 由大 量 无 线 传 感 器 构 成 的无 线 自组 织 网 络 ， 目的是协作 地感 知 、 集 和处理 网络覆 盖 区域 其 采
ｐ ｗ ｒ Ｐ ｓ ｃ ） 一个 基 于 Ｉ ｏ ｅ ａｋ 是 Ｉ ｔ Ｐ的协 议栈 在 Ｔｎ Ｏ ｉｙ Ｓ上
应 用 层
传输层 （Ｄ ） Ｕ Ｐ
网络 层 （Ｐ ６ Ｉｖ ）
适 配 层
ＩＥ ０ ． ５ ４ Ｍ Ｃ Ｅ Ｅ ８ ２ １ ． Ａ 层
的实现 。利 用 Ｂ Ｉ／ ｉｙ Ｓ 可 以组 件 一 个 由运 行 ＬＰ ＴｎＯ ， 在 一个 共 享 的协 议 栈 上 的不 同 的节 点 组 成 的多 跳
２ ２ Ｔｎ Ｏ ． ｉｙ Ｓ与 Ｂ Ｉ ＬＰ协议 栈 的移植
６ ｏ Ｐ Ｎ的体 系结构 如 图 １ Ｌｗ Ａ 所示 。
一
ＴｎＯ ｉｙ Ｓ是一 个 专 为 传 感 器 网 络 节 点 而 设 计 的 个事件驱 动 的开源 的嵌 入式操作 系统 ， 用于 资源 使 非 常有 限的传感 器 网络节 点 。Ｂ Ｉ（ ｅ ｅｅ ｏ ＬＰ Ｂｒ ｌ Ｌｗ— ｋ ｙ
统通 过 Ｕ Ｂ转 Ｕ Ｒ Ｓ Ａ Ｔ数 据转 换器 Ｃ ２ ０ Ｐ １２实 现平 台
内串行数 据与 Ｕ Ｂ数 据 的转换 。通 过 Ｕ Ｂ接 口， Ｓ Ｓ 实 现 了软件 系统 下载 安装 及 通过 Ｐ Ｃ监 测 与控 制 无 线 传 感 器 网络 ， 时它也 可作为 系统 的 电源供应 模块 。 同
２ 无 线 传 感 器 网络 的设 计 与 实现
２ １ 系统 硬件 设计 ．
将 ＭＳ ４０ 的编 译器 安装 到 ￥ Ｏ Ｒ Ｏ Ｐ３Ｘ Ｔ Ｓ Ｏ Ｔ中。
（ ） Ｒ ａ Ｌ ｉ ． ｃ Ｒ ｓｔｈ和 Ｂ ｓＳ ｔ ｎ ． ｃ ２ 在 ｅｄ ｑＣ ｎ ， ｅｅ． ａｅ ｔ ｉ Ｐ ｎ ａｏ
２ １ 年第１ ０２ 期
文 章 编 号 ：０ ９— ５ ２ ２ １ ） １ ０ ２ １０ ２ ５ （０ ２ ０ — ０ ９—０ ３ 中 图 分 类 号 ：Ｐ １ Ｔ ２２ 文 献标 识 码 ： Ａ
基 于 ６ ｏ Ａ 的无 线 传 感 器 网 络 实 现 与 性 能 分 析 Ｌ ＷＰ Ｎ
许 恺 ，戎蒙恬 ，刘 涛
ｉｔｓａｕ ｎ ｔｔ ｓ；
ｉ ｄ ｆ ， Ｉ Ｃ Ｅ ＆ｓ ｔｓ ； ｏ （ｄ Ｔ Ｏ ＭＧ Ｔ， ｔ ｕ ） ｃ ａ
ｓａ ｕ ｔ ｔ ｓ＆ ＝ ～ＴＩ ＯＣＭ ＤＴ ； Ｒ
—
ｉｃ （ｄ Ｔ Ｏ Ｍ Ｅ ，＆ ｔ ｕ ） ｏｔ ｆ ， Ｉ Ｃ Ｓ Ｔ ｓ ｔｓ ； ｌ ａ
（ ） 择使 用 的天 线 。打 开 ＰａｏｍＰ ｎ 个 ４选 ｌｔｒ ．ｃ这 ｆ 文件 ， 修改 ｉｉ这个 ｃｍｍ ｎ 。 ｎｔ ｏ ａｄ 到此 为止 可 以按 照官 网上 Ｂ Ｉ ＬＰ的教 程开 始 了 。