物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用在近幾年成為了信息領(lǐng)域的熱門話題。無線傳感網(wǎng)(Wireless Sensor Network， WSN)是提到最多的短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)主要通過各類微型傳感器節(jié)點(diǎn)(Node)組成無線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network， WPAN)，用于感知和監(jiān)控綜合環(huán)境信息[1]。

　　【摘 要】本文提出了幾種基于6LoWPAN協(xié)議為基礎(chǔ)的工程應(yīng)用項(xiàng)目解決方案，從硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到軟件協(xié)議棧的選擇給出了幾種參考方法，并給出了一些相應(yīng)的對(duì)比。硬件結(jié)構(gòu)主要包括單芯片、雙芯片以及網(wǎng)絡(luò)處理器幾種模型，協(xié)議棧主要分為Contiki的uIPv6、TinyOS的BLIP、Sensinode的 NanoStack以及Jennic的JenNet協(xié)議棧。

　　【關(guān)鍵詞】高工論文發(fā)表,6LoWPAN,協(xié)議棧,協(xié)議,解決方案

　　1 短距離無線通信技術(shù)與6LoWPAN

　　類似的技術(shù)主要有ZigBee以及6LoWPAN協(xié)議。盡管兩者均是基于IEEE 802.15.4設(shè)計(jì)，由于ZigBee協(xié)議在連入互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候需要專門的網(wǎng)關(guān)(不直接支持IP地址)，為了實(shí)現(xiàn)WSN和IP網(wǎng)絡(luò)的無縫對(duì)接[2]，支持 IP通信協(xié)議的6LoWPAN被越來越多的項(xiàng)目及科研所使用[3]。本文主要探討關(guān)于6LoWPAN在工程項(xiàng)目中應(yīng)用時(shí)的幾種軟硬件解決方案，旨在為廣大工程項(xiàng)目開發(fā)者提供幾種思路。

　　2 6LoWPAN的芯片方案

　　6LoWPAN技術(shù)作為一種短距離低速率無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通常應(yīng)用于嵌入式設(shè)備中。由于6LoWPAN協(xié)議棧一般運(yùn)行在微控制器芯片中，通常有3種解決方案：單芯片模型、雙芯片模型以及網(wǎng)絡(luò)處理器方案。單芯片模型采用SoC芯片，即片上系統(tǒng)，將射頻模塊和微控制器(Microcontroller，MCU)集成在一片芯片上。雙芯片模型采用通用微控制器和一片射頻收發(fā)芯片共同工作。而網(wǎng)絡(luò)處理器方案則采用固化了協(xié)議棧的射頻芯片，一般和一個(gè)單獨(dú)的運(yùn)行著應(yīng)用軟件的微控制器共同使用[4]。

　　2.1 單芯片模型

　　當(dāng)設(shè)備的尺寸和成本控制作為首要考慮條件，并且要實(shí)現(xiàn)的功能相對(duì)簡單時(shí)，單芯片模型的解決方案最為合理。單芯片模型采用SOC芯片，集成了射頻收發(fā)器和微控制器兩大核心模塊，一般帶有FLASH單元、內(nèi)存以及一些常用的外設(shè)。典型的模型如圖1所示。采用SoC的無線節(jié)點(diǎn)僅需少許元器件和一些簡單的電路即可實(shí)現(xiàn)，通常包括RF匹配電路、天線、晶振、電源模塊以及傳感器等。軟件存儲(chǔ)在FLASH中，一般包括硬件驅(qū)動(dòng)、6LoWPAN協(xié)議棧、應(yīng)用軟件，當(dāng)然也可能有一個(gè)簡易的嵌入式操作系統(tǒng)。常見的SOC解決方案有TI公司的CC2530、CC1110，Jennic公司的JN5139等。大多數(shù)的 6LoWPAN協(xié)議棧都可以移植到單芯片模型中。

　　單芯片方案的帶來的一大缺點(diǎn)是軟件開發(fā)周期的延長以及難度的增加。由于SoC都是采用小型定制的微控制器內(nèi)核，內(nèi)存的保護(hù)機(jī)制一般不完善，因此要把應(yīng)用程序、嵌入式操作系統(tǒng)以及協(xié)議棧都集成到一起需要花費(fèi)更多的測試與調(diào)試周期。同時(shí)，由于每種 SoC都采用單獨(dú)的編譯器和開發(fā)環(huán)境，對(duì)軟件的可重用性限制很大。

　　2.2 雙芯片模型

　　如果應(yīng)用程序復(fù)雜度較高，或者對(duì)性能要求較高，那么雙芯片模型將成為首要選擇。圖2給出了一個(gè)雙芯片模型的框圖。在雙芯片模型中，微控制器和射頻收發(fā)器是分離式的。特別地，當(dāng)該射頻收發(fā)器內(nèi)部已經(jīng)固化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的話，它一般就被稱為網(wǎng)絡(luò)處理器，下一節(jié)會(huì)單獨(dú)討論這一方案。在雙芯片模型中，微控制器通過SPI接口或者UART接口和射頻芯片通信。6LoWPAN協(xié)議棧、硬件接口以及操作系統(tǒng)則完全運(yùn)行于微控制器內(nèi)部，因此開發(fā)者可以選擇自己最熟悉的、最適合項(xiàng)目的微控制器來使用，以便同時(shí)滿足性能、嵌入式控制、信號(hào)處理等需求。典型的射頻芯片可以是TI公司的CC2520，Atmel公司的AT86RF231等。

　　2.3 網(wǎng)絡(luò)處理器方案

　　如果某些產(chǎn)品的應(yīng)用程序已經(jīng)完善了，所有的用戶功能也已正常運(yùn)作，只是需要額外給它添加網(wǎng)絡(luò)通信功能(即協(xié)議棧)的時(shí)候，使用網(wǎng)絡(luò)處理器方案是一種合理的途徑。該方案能夠有效減少開發(fā)者學(xué)習(xí)使用一種全新芯片的時(shí)間。一般而言，網(wǎng)絡(luò)處理器需要配合微控制器共同使用，因此它是一種特殊的雙芯片方案。不同的是，在網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)部不僅有無線收發(fā)器，而且已經(jīng)固化了6LoWPAN的協(xié)議棧。和網(wǎng)絡(luò)處理器的通信可通過UART接口或者SPI接口，通信命令類似于套接字協(xié)議。因此該模型的使用方式不再需要將6LoWPAN協(xié)議棧集成到微控制器中，而僅僅只需通過軟件通信接口即可實(shí)現(xiàn)。如果實(shí)際采用了操作系統(tǒng)，比如 LINUX來運(yùn)行應(yīng)用程序，則只需要很小的改進(jìn)便可將6LoWPAN通信功能添加進(jìn)去。

　　該方案的缺點(diǎn)如同雙芯片方案，他同樣需要兩個(gè)芯片來實(shí)現(xiàn)。因此對(duì)電路板尺寸嚴(yán)格控制的項(xiàng)目將難以實(shí)施。由于網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi)部集成了內(nèi)存、FLASH、微處理器內(nèi)核等模塊，它的價(jià)格相對(duì)昂貴。典型的6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)處理器有TI公司的CC1180。

　　3 6LoWPAN協(xié)議棧

　　要實(shí)現(xiàn)6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，最簡單的方法是采用現(xiàn)成的通信協(xié)議棧。協(xié)議棧一般由企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)、大學(xué)以及個(gè)人開發(fā)，主要有幾種運(yùn)行模式：

　　(1)固化在網(wǎng)絡(luò)處理器內(nèi);

　　(2)包含在操作系統(tǒng)中;

　　(3)集成在嵌入式軟件內(nèi)。

　　本節(jié)將重點(diǎn)討論幾種開源的以及商業(yè)化的協(xié)議棧，它們運(yùn)行于上節(jié)中介紹的一個(gè)或多個(gè)模型中。

　　3.1 Contiki操作系統(tǒng)和uIPv6協(xié)議棧

　　Contiki是一個(gè)非常聞名的嵌入式開源操作系統(tǒng)，專為微控制器架構(gòu)設(shè)計(jì)，可運(yùn)行在AVR、8051以及MSP430中，由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所開發(fā)。Contik實(shí)現(xiàn)了一個(gè)微小的IP協(xié)議，稱作uIP協(xié)議棧。同時(shí)，它也實(shí)現(xiàn)了基于6LoWPAN的IPv6協(xié)議，稱作uIPv6協(xié)議棧。 Contiki操作系統(tǒng)以及uIP協(xié)議棧被世界上幾百個(gè)工程項(xiàng)目和公司所采用。Contiki主要設(shè)計(jì)工作在低功耗的收發(fā)器中，支持IP網(wǎng)絡(luò)通信。它采用 C語言實(shí)現(xiàn)，可以編譯到很多平臺(tái)。已經(jīng)有非常多的微控制器和設(shè)備平臺(tái)運(yùn)行了Contiki，因此有很多的例程和應(yīng)用軟件可以移植到自己的項(xiàng)目中。