基于精简IPv6的自组网络

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[摘 要]本文介绍了一种简单易实现的基于精简ipv6的自组网络,设计了微型无线传感器节点,选用了低功耗、低价格的ATMEGA16L单片机和数据无线收发芯片nRF905,实现了一种低功耗无线网络,分析了自组网络的体系结构,为进一步研究基于IPv6的无线传感器网络的其它算法提供了一个非常有价值的参考平台。

[关键词]自组网络 无线传感器节点 IPv6 nRF905

[中图分类号]TP393.18[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0012-02

1 引言

近年来随着无线通信、大规模集成电路、传感器以及微机电系统 (MEMS)等技术的飞速发展,无线传感器网络(WSN)也得到了很大的发展,并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点使无线传感网络得到了普及。无线传感自组网络是由一些功耗低、体积小的传感器节点,以无线通讯的方式自组而成的一个网络,这些分散的节点能够在一定范围内协作地实施监测、感知、采集和处理周围环境信息,他们之间通过一定的网络组织协议,协同合作完成特定的任务。

2 体系结构

典型的自组网络系统结构包括多个无线传感器节点 (Sensor node)、汇节点 (Sink node)、互联网和用户终端设备等。无线传感器节点通过特定的自组织协议快速形成一个无线通信网络,每个无线通讯网络都有一个汇节点,它既可以发送或接收数据,也可以充当信息的路由者,无线传感器节点采集的数据通过多次转发而最终到达目的节点。自组织网络的体系结构图如图1 所示:

其中,无线传感器节点负责采集、处理、压缩数据、中转其他节点的数据包并将数据包发送出去。在不同的应用中,无线传感器网络节点的结构不尽相同,一般由数据采集单元、数据处理和控制单元、无线通信单元、与PC通信单元和供电单元等组成。

3 无线传感器网络节点硬件设计

相对于传统网络节点,无线传感器网络节点具有明显的技术特点:(1)网络节点密度高,数量大;(2)节点的计算和存储能力有限;(3)节点体积微小,通常携带能量十分有限的电池,节点能量有限;(4)通信能力有限,传感器网络的通信带宽较窄,节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米,因此在有限的通信能力下,如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题;

由于无线传感器网络节点具有以上特点,在节点的设计上,要求节点硬件设计必须低成本、低能耗、支持多跳的路由协议。其硬件结构图如图2所示。

该无线传感器节点的硬件结构由五个主要部分组成:微处理器模块、射频通信电路(RF)模块、传感器模块、电源模块、铁电存储模块和与PC的通信模块。其中处理器模块选择的是AVR ATMEGA16L单片机来进行控制电路的设计,其原因主要是该单片机具有以下特点:速度快;性价比高、低功耗;带有同步串行接口SPI。

3.1 射频通信电路(RF)模块

射频通信电路模块是决定无线传感器网络系统性能好坏的一个因素, 300M - 3GHz UHF频段的无线电波具有很强的直射、绕射、反射以及抗干扰能力强等特性,所以很适合应用于无线传感器网络。

本系统的设计目标是低成本,低功耗,外形小巧、简单易于实现,同时传感器网络主要用于传输传感器数据或者控制信号,因此对传输带宽的要求并不高。本系统采用的是比较符合实际应用需求的ISM 频段的短距离射频技术,并且由于此类ISM 射频模块一般不含协议栈,也给传感器网络新协议的设计和测试带来了方便。经过调研,市面上常见的射频模块性能比较如下:

综合以上考虑,系统最终选择了挪威Nordic公司新推出的单片射频收发芯nRF905,与其他类似芯片相比,nRF905功耗较低,工作电压低至1.9～3.6V,以-10dBm 的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为12.5mA,支持空闲模式与关机模式,易于实现节能,适合便携式产品的设计。并且具有发送和接收状态的多级功率控制,可以方便传感器网络射频功率控制相关技术的研究。其接口示意图如图3所示。

nRF905集成度高,由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调制器组成,工作频率稳定可靠,元器件少,不需外加声表滤波器,此外,nRF905最高工作速率可达20k,发射功率可以调整,最小为-10dBm,最大为+10dBm。

4 精简IPv6协议

针对目前自组织网络中自组织算法的研究现状,本文介绍了一种精简IPv6协议,它具有IPv6协议的特点,同时也有自己的特点。精简IPv6协议的特点如下:无校验位;采用128bit地址,地址充足;移动便捷;便于管理和扩充。

该协议中没有使用数据校验位的原因主要有以下几点:(1)中间路由器不再进行数据包校验;(2)因为大部分二层链路层已经对数据包进行了校验和纠错控制,链路层的可靠保证使得三层网络层不必再进行报头校验;(3)端到端的四层传输层协议也有校验功能以发现错包;(4)校验需随着TTL值的变化在每一跳重新进行计算,增加包传送的时延。

自组织协议的格式如表2所示。

帧起始符68H:标识一帧信息的开始,其值为68H=0110100B;

网络标识:标识着不同的无线传感器子网,它的值的范围可以根据自身的网络规模自行设定;

最大跳数:8bit,其值代表一帧从源节点传输到目的节点所经过的最大跳数,如果超过了该值,让网络中的节点自行丢弃所传输的数据帧;

源地址:128bit,可以极大限度的满足网络的需要,同时还可以根据需要灵活地控制和使用;

目的地址:128bit,与源地址配合使用,是数据所要达到的最终地址;

数据域:表示有效数据,其大小可以根据用户需要自行设定,另外,这些数据随着用户需求的不同而采用不同的格式,可携带不同的信息;

结束符:16H=00011100B,表示数据包的结束标志位。

无线传感器节点就是基于这个精简IPv6协议,通过无线的方式快速自组织将捕获到的周围环境信息迅速准确的发送于汇节点,完成信息采集的功能。

5 无线网络的自组织分析

无线传感器节点通过基于精简IPv6协议自组织实现的无线网络,要求这些节点在一定的范围内,同时也要满足自组织网络的硬件环境需求。无线自组织网络需满足以下条件:(1)每个无线传感器子网要根据连接不同的子网数目配上相同数目的汇节点,并且所有汇节点必须在该网络所允许的范围内。(2)每个传感器节点上必须有一定的存储空间,可以使用外接的存储器芯片,最好是铁电存储芯片,如果要求的跳数较少的话,也可以使用ATMEG128L处理器自带的存储空间。(3)子网与子网之间必须有一定的交汇,且交汇处要放置一个汇节点,汇节点既可以是信息的采集和发出者,同时也充当信息的路由者。(4)子网需要相应的与互联网连接的网络设备和用户终端设备,以便可以与Internet进行数据的传输与处理,同时也可以从丰富的互联网网络中获取大量的网络资源。(5)同一传感器网络中的所有节点工作在同一频率下。

满足了以上要求后,本论文设计的流程图如图4所示。

通过在一定环境和范围内的测试,系统的软件设计很好的使各个节点捕获到了来自各种环境的信息,并通过无线自组织的方式,将信息传达到汇结点,最终完成信息采集的功能。

6 结语

本文通过对自组织网络体系结构的分析,设计了一种低价格、低功耗的微型传感器节点,搭建了一个易于实现、结构稳定、集成度高的硬件平台,对微型传感器节点的无线自组织协议进行了构思。随着无线自组织网络研究的深入,此系统给无线自组织网络的研究提供了有效的参考价值。

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