基于6LoWPAN和CoAP的农业环境信息传感系统的设计与实现

摘 要： 针对农业生产环境中信息监测点分散和学校现有无线传感网络（WSN）的不足，采用移植性强支持6LoWPAN协议栈的Contiki嵌入式操作系统在STM32平台上进行农业环境信息监测传感器节点设计；在DDWrt上实现了支持6LoWPAN协议栈的IPv4/IPv6双栈边缘路由器，将监测到的农业环境信息转发到IPv4/IPv6网络，最终实现了基于6LoWPAN的农业信息传感系统。在校园网环境下测试了农业环境信息传感节点与测试机网络的连通性，测试结果表明，基于6LoWPAN协议的无线网关与农业环境信息监测传感节点通过6LoWPAN协议可以正常通信，用户可通过CoAP协议访问6LoWPAN无线传感器网络。

关键词： 6LoWPAN； CoAP； WSN； Contiki； 农业环境信息

中图分类号： TN915.04?34； TP393.03 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）23?0152?05

Design and implementation of agri?environmental information sensing

system based on 6LoWPAN and CoAP

HU Guoqiang1， LI Yin2， WEI Jicheng2

（1. Network and Education Technology Center， Northwest A&F University， Yangling 712100， China；

2. College of Information Engineering， Northwest A&F University， Yangling 712100， China）

Abstract： To overcome the insufficient of disperse information monitoring points in agricultural production environment and wireless sensor network （WSN） existing in college， the strong portability embedded operating system Contiki supporting 6LoWPAN protocol stack is adopted to design the agri?environmental monitoring sensor node on STM32 platform. The IPv4/IPv6 double?stack edge router supporting 6LoWPAN protocol stack was realized on DDWrt. The monitored agri?environmental information is transmitted to the IPv4/IPv6 network to realize the agricultural information sensing system based on 6LoWPAN. The connectivity between agri?environmental information sensor node and tester network was tested in campus network environment. The test results show that the 6LoWPAN protocol based wireless gateway can communicate with agri?environmental information monitoring sensor nodes via 6LoWPAN protocol normally， and users can access the 6LoWPAN wireless sensor networks via CoAP protocol.

Keywords： 6LoWPAN； CoAP； WSN； Contiki； agri?environmental information

0 引 言

近年来，随着高性能、低成本嵌入式技术的发展，受业界广泛关注的无线传感器网络WSN （Wireless Sensor Network，）已在农业环境信息监测方面得到了初步应用[1?3]。WSN是由部署在一定范围内用于传感温度、空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度等物理现象的传感器节点组成[4]。无线传感器网络在信息采集方面的广泛应用极大地促进了无线传感器网络在各个领域的研究发展[5]。现有的无线传感网络技术主要有两大类：第一类为非IP技术类型，比如大规模使用的ZigBee组网技术；另一类为基于IP的技术，比如uIPv6协议 [6]。

随着IPv4/IPv6网络和无线传感网络的飞速发展，将IPv6网络和无线传感网络结合的技术已成为国内外研究的热点[7]。IETF （ Internet Engineering Task Force）成立专门小组致力于实现IPv6网络的嵌入式设备化，发挥其在无线传感网络中的地址优势[6]。在IETF的不断努力下，低功耗802.15.4数据链路层和物理层协议及网络层协议的6LoWPAN（IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks）协议栈被提出来，通过6LoWPAN适配层对IPv6数据包进行分片和重组，完成IPv6网络层与802.15.4物理层的融合[8?11]。

近年来，已有基于 6LoWPAN协议栈的无线传感技术在工农业和生活中应用的相关研究。文献[12]设计并实现了无线传感器网络6LoWPAN路由器，文献[13]设计并实现了基于6LoWPAN协议的监测系统，文献[14]实现了将WSN接入到IPv6系统，文献[15]设计了WSN计入到IPv6网络模型，文献[16]设计实现了6LoWPAN的智能家电监测与控制系统，文献[17]基于6LoWPAN对矿井无线传感器网络适配层进行了研究，文献[7]设计和实现了一个基于TinyOS的6LoWPAN无线传感器网络，上述研究有很高的应用价值，但也有值得改进之处。实际应用中部署的WSN与IPv4/IPv6网络之间无法进行点到点的通信，即用户无法迅速地对特定地理坏境的农业信息进行监测，无法通过命令管理每个空气湿度、光照强度、土壤温度、土壤湿度等调节装置[15]。为了让农业信息WSN支持IP网络架构，本文设计和实现了一个基于Contiki嵌入式操作系统的6LoWPAN农业环境实时传感系统。该系统实现了以IEEE 802.15.4作为物理层和数据链路层标准的WSN，灵活接入IPv4/IPv6网络中，完成了WSN与互联网之间的点到点通信。用户可以通过Web服务器对基于6LoWPAN的WSN进行实时管理。