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研究ＩＰｖ６無線傳感器網絡的應用

一、在無線傳感器網絡中引入IP技術有著重要意義：
　　(1)經濟價值方面。可以利用現有成熟的IP技術和已有的網絡設施實現IP-Based的應用,不需要額外的基礎設施建設,大大減少應用成本。
　　(2)知識產權方面。IP網絡普遍性使得IP組網技術相對其他專用或新型組網技術更容易被人們接受。
　　(3)互聯互通方面。IP-Based無線傳感器網絡采用與Internet相同的IP技術,可以更容易地實現其與現有外部網絡的互聯互通。
　　(4)應用方面。在安全監測應用領域,IP-Based無線傳感器網絡更具有抗毀魯棒性,可以及時有效地監測災害的發生以減少災害所造成的損失。因此在無線傳感器網絡中采用IP技術是未來研究的主要方向。
　　將IPv6技術與無線傳感器網絡技術融合,在大規模節點組成的傳感器網絡應用中具有特殊優點。
　　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中。當前此工作組正處于草案征集階段,許多組織和個人已經提交了有價值的草案,各項技術都還只是處于理論研究及不斷探討中。
　　IPv6傳感器網絡是IPv6技術與無線傳感器網絡的融合,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傳感器網絡不適合直接采用IPv6網絡或無線傳感器網絡的傳統體系結構,主要體現在:(1)傳統的傳感器網絡體系結構不支持IPv6協議,無法實現與下一代互聯網的直接融合,不支持端到端通信,可擴展性不高。(2)IPv6作為下一代互聯網的核心協議,充分考慮了網絡中的各種問題,已經形成一套功能強大、魯棒性好的協議體系,無法應用在存儲資源和處理資源受限的傳感器網絡中。因此,必須在充分考慮到此網絡的特點和特殊性的前提下,重新構建基于IPv6的傳感器網絡體系結構。
　　目前國際上有很多科研機構和組織研究IPv6無線傳感器網絡的體系結構及協議棧,如Arch Rock[6],uIPv6[7-8]等。Arch Rock是一個致力于IP-Based無線傳感器網絡應用的公司,其開發的Arch Rock IP/6LoWPAN協議棧以IETF工作組提出的6LoWPAN標準為核心技術,支持IEEE802.15.4標準。uIPv6是由Cisco、Atmel和SICS共同開發,于2008年發布的IPv6微型協議棧。其前身是uIP,是由瑞典計算機科學學院(網絡嵌入式系統小組)Adam Dunkels開發的適用于嵌入式開發的傳輸控制協議/網間協議(TCP/IP)棧。然而uIPv6并不具備傳感路由協議以及網絡管理等,另外有關uIPv6的產品還未進入商業階段,還遠不能適應于大規模無線傳感器網絡的應用。
　　MSRLab6微型傳感路由器體系結構(見圖1)自下而上由通信域、計算域和應用域組成,其中計算域采用了簡化的IPv6微型協議棧和自主研發的微型傳感路由協議(MSRP)[10]。
　　(1)通信域
　　通信域包含載波監聽以及數據收發功能,并支持包含IEEE802.15.4標準在內的多種物理層接口,實現設備間數據幀的傳輸。
　　(2)計算域
　　計算域包含路由轉發模塊,實現網絡層的基本功能,包括IPv6微型協議棧MSRLab6及IPv6 MSRP。在節省無線傳感器網絡系統資源的同時提供應用層數據的IPv6封裝和解析,實現與現有TCP/IPv6協議體系的網絡進行通信;適用于IPv6傳感器網絡環境的路由協議MSRP,用于IPv6傳感器網絡內數據傳輸時建立和維護路由[11]。
　　(3)應用域
　　應用域包括應用模塊、傳感模塊、管理模塊等。采用基于接口的獨特設計,用于應用層與IPv6微型協議棧通信,實現系統的各種應用功能。
　　MSRLab6微型傳感路由器結構基于IPv6數據傳輸與互聯網體系結構兼容,無需復雜的協議轉換設備;而路由機制與數據傳輸分離,具有傳感器網絡自身應用的特點能夠保證路徑最優,并減少選路的能耗和計算復雜度。2005年12月由北京交通大學下一代互聯網研究中心研制的中國首臺具有完全自主知識產權的新一代傳感器網絡核心設備——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,通過該設備可以實現下一代互聯網中“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、組網簡單方便等特點,這項成果解決了傳感器網絡的一系列關鍵技術問題,部分技術達到國際領先水平。由此,IPv6微型協議棧的傳感路由器可以采用IPv6全球合法地址進行通信,實現了真正端到端通信,實現了傳感器網絡與Internet的無縫融合,使部署“無所不在”的傳感器網絡成為可能。
二、IPv6無線傳感器網絡與Internet的互聯：
　　　將IPv6技術引入無線傳感網絡可以方便實現與現有網絡設備端對端的通信,提高了轉發效率,增強了安全性。根據不同的應用需求,IPv6無線傳感器網絡與現有網絡的互聯互通主要有兩種:直接接入方式、網關接入方式。
　　(1)直接接入方式：
當IPv6無線傳感器網絡內部有移動設備進入,需要獲取傳感器節點采集的相應數據信息時,如果按照常規方法即通過網關接入Internet網絡再經Internet網絡與移動設備進行互聯的方式通信,顯然是不夠靈活的。而且網關接入方式在傳輸數據時中間節點的能量損耗會進一步加劇,整個互聯過程中會造成較大的通信負擔。因此可以采用移動終端直接與區域內無線傳感器網絡節點通信的方式進行互聯,這樣便簡化了網絡接入的模型。這種方式下,IPv6無線傳感器網絡設備可以不需要特殊的中間節點或者網關進行轉發,直接接入現有網絡,成為網絡終端,實現與現有網絡的無縫融合。Pv6無線傳感器網絡與現有網絡互聯互通的直接接入方式如圖2所示。
當移動終端進入無線傳感器網絡內采用直接互連方式與傳感器節點進行通信時,移動終端可根據IPv6協議首先進行網絡地址的自動配置。由于移動終端和傳感器節點均配置了IPv6協議,因此兩者可使用鏈路本地地址根據網絡協議進行直接、便捷的通信。在環境監測的應用環境中,管理者可以手持移動終端進入傳感器網絡內部,通過與節點的直接互聯獲得感興趣的數據。在這種情況下,傳感器節點通常位于視距范圍內,與移動設備僅一跳之隔。移動終端通過發送數據請求建立通信,這樣大大降低了網絡系統的復雜程度,減少了在數據獲取過程中造成的能量損耗,延長了節點的使用壽命。
　　(2)網關接入方式：
　　無線傳感器網絡設備低成本、低功耗、低復雜性的要求以及接入網絡基礎設施的多樣性,決定了每個IPv6無線傳感器網絡設備都直接接入現有網絡是不切實際的。通常,設備的程序存儲區和數據存儲區都非常有限,無法配置完備的網絡協議棧和大規模路由協議,因此,采用一種硬件資源相對豐富的網絡連接設備(網關)完成IPv6無線傳感器網絡與Internet的互聯互通。
　　Pv6無線傳感器網絡與現有網絡互聯互通的網關接入方式如圖3所示,IPv6無線傳感器網絡設備部署精簡的網絡協議棧,將采集的監測數據通過無線傳感器網絡路由協議匯聚到網際連接設備(網關),網際連接設備進行數據的轉發處理,接入各種承載網絡將信息發送到服務器;承載網可以是WiFi、以太網、GSM等,網關只需配置相應的接入模塊即可。服務器端對監測信息進行處理和分析,并存儲到數據庫中。用戶終端通過現有網絡的協議訪問服務器,獲取IPv6無線傳感器網絡設備的信息,實現對設備的訪問、控制以及有效的管理。
　　采用網際連接設備完成IPv6無線傳感器網絡的互聯互通,減少了無線傳感器網絡設備的復雜性,無需為每一個設備部署承載網絡的接入設備(以太網口、AP設備等),降低了應用成本。另外,網際連接設備(網關)只負責數據的轉發,不做網絡層、應用層協議的處理,與ZigBee[12]、藍牙等網絡代理網關設備相比,增加了轉換效率,又沒有破壞端對端的控制,保證了數據的透明傳輸以及安全性。無線傳感器網絡應用的不同,必須采用不同的承載網絡,網際連接設備可以擴展不同的協議轉換模塊,接入各種承載網絡,具有更強的靈活性。
三、IPv6無線傳感器網絡的應用：
　　　IPv6無線傳感器網絡在精準農業、安全監測、環境保護、智能建筑、醫療監護等諸多方面具有廣闊的應用前景[13]。北京交通大學下一代互聯網研究中心無線傳感器網絡組,利用IPv6無線傳感器網絡應用系統成功實現了在精準農業生產中的應用,在溫室部署大量的不同類型的傳感器節點,達到監測控制溫室的目的。
　　在精準農業生產中的應用系統實現了以下主要功能:
　　(1)環境監測功能
　　各個溫室內部署有溫度、濕度、CO2濃度、土壤濕度、光強傳感器監測系統,實現對溫室內環境的監測,用戶遠程獲知溫室內環境信息并做出相應控制措施,當某個參數超過該設定值時,發出警報通知用戶。
　　(2)溫室內設備控制功能
　　用戶獲知溫室內的環境參數后,可以根據各種植物要求的環境信息來遠程控制溫室內的設備,滿足植物生長的環境。
　　IPv6無線傳感器網絡在精準農業中的應用如圖4所示。該應用系統部署在3個溫室內,根據用戶需要測試的位置點已經固定,每個溫室中部署16個不同應用類型的傳感器節點,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個室內光強、1個室外光強傳感器節點,監測農作物的生長環境,采集節點可以直接傳輸數據到網關節點,承載網是CDMA網,實現與Internet的互聯。另外在在室外也布置一個光強節點,通過比較室內外光的強度,從而決定是否放下或提起遮擋簾。
　　　從實際應用系統的結果看來,IPv6無線傳感器網絡的應用系統設計滿足精準農業的監測控制等各項要求,各采集節點動態的選擇最優路由傳輸采集到的信息,實現系統的功能,由于每個節點具有IPv6地址,管理員可以方便地根據地址來控制該節點。另外,可以看出該應用系統靈活且可擴展,若改變節點傳感器的類型或系統應用軟件,則可以應用到無線傳感器網絡的其他應用領域,實現不同的應用要求。
IPv6無線傳感器網絡是當前通信領域的一個研究熱點,是信息感知和采集的一場革命,具有廣闊的應用前景。IPv6無線傳感器網絡將IPv6技術與無線傳感器網絡進行融合具有重要意義,值得深入研究。

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