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基于OMNet++的6LoWPAN校园物联网系统仿真实现

2017-01-12高友胜

山东工业技术 2016年24期
关键词:应用层节点无线

摘 要:随着无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)和物联网(Internet of Things,IOT)技术的日益发展及IPv6网络的普及,IPv6物联网技术将成为未来物联网技术的发展趋势。本文以云南师范大学智慧校园物联网系统构建为研究背景,开发并实现基于OMNet++的6LoWPAN校园物联网仿真系统,给出了具体的物联网构建方案,希望对6LoWPAN校园物联网行业发展有所帮助。

关键词:物联网;智慧校园;6LoWPAN

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.122

1 概述

基于IEEE802.15.4的物联网与传统的无线传感器网络相比,网络中存在的节点数量庞大、密度更高,且网络中感知节点自身硬件通信、计算、电源等能力较差,而IEEE802.15.4标准并不直接支持IPv6协议栈,基于IEEE802.15.4物联网的这些特性导致IPv6直接构建于IEEE802.15.4网络上面临着许多问题。IPv6 over IEEE802.15.4工作组为了解决IPv6在IEEE802.15.4物联网中的应用所面临的问题提出了6LoWPAN协议,实现IEEE802.15.4物联网底层使用IPv6协议与异构网络之间的无缝接入。本文设计并实现了一个基于6LoWPAN的校园物联网系统,主要采用星型拓扑结构,完成6LoWPAN物联网感知节点间与异构网络通信设备之间的UDP数据包通信。

2 6LoWPAN校园物联网总体构架设计

6LoWPAN校园物联网系统设计采用三层网络架构如图1所示,三层架构分为感知层、网络层、和应用层[1]。

2.1 感知层

感知层是物联网三层架构中的核心层,主要功能是解决感知对象信息数据的采集问题,感知功能主要由各种传感器和传感网构成。感知对象包括教师、学生、教学楼、体育馆等环境资源,此外还包括空调、车辆、路灯等各类设备等物质资源。感知层的感应设备包括6LoWPAN网络、6LoWPAN感知节点设备、RFID、多媒体设备、无线传感器网络WSN、GPS定位等。该层的关键技术技术有:自组织网技术、射频技术、远和近距离传输技术、协同信息处理技术、信息采集中间件技术等。

2.2 网络层

网络层也称传输层,主要功能是将感知层采集到的数据在网络上进行传输,不需要对感知数据进行处理,网络层包括接入网和传输网。接入网主要解决底层传感器网络的最后一公里接入问题,接入网技术架构如图2所示,主要包括:无线接入、有线接入、以太网接入等。传输网主要包括:电信网、移动网、互联网、广电网等。

2.3 应用层

应用层为采集与管理平台层,主要完成对网络层传递来的信息进行加工处理的功能。应用层基于实际应用需求开发的应用程序和管理软件,通过对感知层节点采集到的信息进行分析和汇总,并作出相应的策略实施以达到校园物联网的管理和控制,典型的应用有:智慧教室、智能停车场、只能体育馆、智能图书馆等。应用层中的公共中间件、信息开放平台、云计算平台、服务支撑平台等组成处理层,完成数据的存储、计算、挖掘、分析等功能。

3 6LoWPAN校园物联网的OMNet++仿真设计与实现

在OMNet++仿真软件中搭建基于6LoWPAN的校园物联网系统,系统根据上文所设计的物联网系统架构,实现感知层、网络层和应用层的基本功能。

3.1 6LoWPAN节点设计

6LoWPAN节点模型如图3所示,节点模型主要由IEEE802.15.4网卡设备ieee_802_15_4_Nic模块、适配层adaption模块、网络层routing模块、传输层udp模块、应用层udpApp模块等模块组成。下面分别介绍各模块主要功能。

Ieee_802_15_4模块:主要实现IEEE802.15.4MAC协议仿真,该模块模拟信道的特征,处理仿真中的数据帧。

adaption模块:主要实现6LoWPAN协议栈的适配层相关功能的仿真。

routing模块:主要实现网络层路由协议的仿真。

udp模块:主要实现传输层中UDP协议的仿真。

udpApp模块:主要实现节点应用程序的仿真。

mobility模块:主要提供了节点的位置并负责移动性处理。

battery模块:主要提供每个节点能耗的即时测量并支持网络生命周期模拟。

notificationBoard模块:该模块是节点内各模块间通告信息改变的媒介。

disp模块:主要实现计算节点的通信范围。

3.2 6LoWPAN校园物联网组网设计

根据上一小节所设计的6LoWPAN节点模型,结合正在建设中的云南师范大学智慧校园物联网系统,在OMNet++仿真软件中设计了一个基本结构的6LoWPAN物联网网络如图4所示。在仿真网络中,模拟了7个sink节点,各sink节点周围均布置了约30个6LoWPAN感知节点,感知节点与sink节点组成星型结构,网络中还包括两个核心交换机、3个服务器、防火墙、无线AP等网络设备。感知层主要由6LoWPAN节点收集信息然后传递给sink节点,sink节点将采集到的信息经过路由器传输给网络上的其他设备。6LoWPAN节点底层采用IEEE802.15.4协议,传输层采用UDP协议[2],在节点间加入了适配层以实现6LoWPAN协议;网络层在Sink节点星型网络内使用6LoWPAN网络,数据经过路由器后使用TCP/IPv6协议栈网络和Wifi网络;应用层主要包括WebServer、FileServer和AppServer,负责控制和管理整个物联网系统,移动通信设备cellphone和laptop通过无线接入AccessPoint可对6LoWPAN节点进行信息查询操作,实现应用层软件的互相通信。

3.3 仿真过程

在程序工程目录下的omnetpp.ini文件上右击,选择Run As | OMNet++ Simulation,弹出如下图5所示的两个窗口。运行程序可以看到各节点之间如何进行包的传输,右边窗口给出了相应的状态信息。仿真过程验证了本文所设计的6LoWPAN校园物联网系统的可行性。

4 结束语

随着物联网和传感网技术的不断发展,基于IPv6的物联网将在智慧校园扮演越来越重要的角色。本文在6LoWPAN基础上设计并实现了IPv6 over IEEE802.15.4的校园物联网系统,实现了校园物联网的基本功能,具有一定的研究价值。

参考文献:

[1]向浩,李堃,袁家斌.基于6LoWPAN的IPv6无线传感器网络[J]. 南京理工大学学报(自然科学版),2010,34(01):56-60.

[2]WEN Yangdong, 温阳东,WANG Yingxin等.基于6LoWPAN无线传感器网络的设计与应用[C].华东六省一市自动化学会2012学术年会, 2012.

作者简介:高友胜(1989-),男,江西九江人,硕士研究生,主要研究方向:6LoWPAN物联网技术。

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