基于Contiki/6LOWPAN的矿井监控系统的研究

【摘要】针对传统的矿井监控系统存在的传感器部署不便，无线覆盖范围窄的问题。设计了一种基于Contiki/6LOWPAN的矿井监控系统。本文主要介绍了Contiki操作系统在CC2530上移植方法，并测试了基于6LOWPAN/RPL网络的UDP包通信功能，通过实际环境测试数据分析，该系统工作稳定，通信效果理想。

【关键词】Contiki/6LOWPAN;CC2530移植;矿井监控

引言

我国煤炭资源丰富，但是煤矿安全形势较为严峻。当前的煤矿监测系统一般是以工业总线为基础，通过有线网络建立。针对有线网络布线复杂、维护安装成本大、覆盖范围小、拓展性差的不足，本课题采用Contiki/6LOWPAN技术对矿井环境进行采集和监测。该系统具有功耗低、拓展性强的优点。

1.系统的硬件设计

由于各传感器输出电信号的范围不同，为了便于单片机进行数据运算处理，设计了信号调理电路。用电压信号表示传感器采集到的井下环境参数数据。然后经过运算放大器与标准电压信号进行差分运算，将差分之后的电压差值进行调理，然后送入CC2530进行处理。

2.系统的软件设计

2.1 Contiki介绍与在CC2530上的移植

Contiki是一个开源的、移植性极强的、专为无线传感网络设计的多任务开源操作系统。

它拥有一个基于事件驱动的内核，支持protothread进程机制，所以相当实用于资源受限的传感器节点。Contiki的精简配置只需要几KB的ROM和几百字节的RAM就能提供多任务环境。uIP小于5KB，uIPv6大约只有11KB。Contiki提供了丰富的功能模块，用户可以根据需要自行裁剪源码。

内核通过消息机制实现任务间的通信，提供shell模块可以实现动态的进程任务管理。

所谓操作系统移植，是将操作系统源码与硬件相关的部分进行修改，使能够在特定的CPU上运行。Contiki是一个不可剥夺的内核，移植比较简单。

2.2 移植工程的建立与代码添加

IAR Embedded Workbench是一款有名的嵌入式开发IDE，已有许多大公司的产品支持使用IAR工具进行开发，本次移植中采用IAR的EW8051-EV-820。它是目前最高效，灵活的CC2530开发平台。

首先下载并安装IAR软件，建立一个IAR工程。然后向工程中添加CC2530相关的基础代码、内核文件、和相关的功能模块。由于本次设计需要支持6lowpan和RPL路由协议，这部分源代码在Contiki的源码目录/core/net路径下，需要有选择的添加。

net/mac目录下的文件都添加到工程中，IAR会根据工程协议的实际配置，有选择的将需要的文件链接到可执行文件中。net/rpl目录下的文件全部加入。

由于本次设计的6lowpan网络使用的是RPL路由协议，不会使用rmie协议栈，所以net/rime目录下只添加rimeaddr.h和rimeaddr.c。这两个文件是用来对contiki操作系统的MAC层地址进行管理的，所以必须加入。

2.3 编写移植文件与修改代码

向工程中添加cpu_init.c、cpu_init.h，完成系统时钟初始化以及系统工作模式的选择。添加IAR安装目录下8051＼inc下的文件iocc2530到工程中。

建立文件clock.c，并添加到工程中。文件clock.c用于完成系统tick的初始化以及操作系统的tick中断处理，其头文件声明在sys/clock.h中。clock.c是移植的核心文件，它与操作系统软件部分衔接最为密切，这部分代码用于timer，stimer的计时，周期性处理etimer事件，可以说是整个系统的心脏部分。

最后建立文件main.c、main.h用来添加系统的启动代码、初始化代码、用户应用程序，及其相应的头文件。

2.4 RRL路由分析

RPL是基于路由矢量的路由协议。它之所以使用距离向量路由协议而不采用链路状态协议，主要原因在于RPL协议通常应用与资源受限的节点上。

而链路状态协议虽然具有更加完备的功能，但是它需要更大的硬件资源去获取和维护整个链路状态信息。

RPL协议是在IEEE802.15.4协议的MAC层和物理层基础上构建而成的，它的设计适应了无线传感器网络中节点处理能力有限和资源有限的特性，以及链路丢包率高、传输速率低和网络不稳定等特点的网络形态。以RPL为基础而建成的网络，通常用于以数据采集为目标的系统中。

故本系统中采取以RPL路由机制完成传感网络的构建。

RPL是一个距离向量协议，它创建一个DODAG（面向目的地的有向非循环图），其中路径从网络中的每个节点到DODAG根。

首先，RPL是基于IPV6网络的。它使用ICMPV6消息来发现创建DODAG。ICMPV6消息分为两种：DIO信息对象消息，DAO目的地通告对象消息。

DIO是由节点发送的，用于通告有关DODAG的信息。

例如DODAGID，OF，DOADO级别和序列号等参数。

DAO是用语向叶节点通告前缀可到达性，其携带前缀信息以及生命周期和深度。DODAG的构建过程可分为两部分：

（1）在向下的链路上，由根节点给路由器节点和叶子节点广播DIO控制信息，可以让这些孤立的节点加入DODAG网络;

（2）在向上的链路上，叶子节点给DODAG根节点单播DAO信息，以此来建立。

3.性能测试

3.1 基于RPL路由的UDP通信功能测试

本次测试时所有节点以CC2530作为硬件基础，仅仅测试基于6LOWPAN/RPL网络的基本通信功能。测试所使用的抓包工具也是CC2530，它用来接收空中的数显数据包，并通过USB将数据传染到PC机，PC机上的软件完成数据的处理，交由Wieshark软件处理。

节点使用64位扩展地址进行通信，将网关节点设为0x52，0x01，0x13，0x01，0x00， 0x00，0x00，0x01。只修改地址的最后一个字节，依次递增，便可获得其他节点通信地址。展现了节点2加入DADAG并与网关节点实现UDP通信功能。

3.2 实验数据采集测试

为了对系统性能进行测试，将调试好的系统安装在矿井下。出于成本考虑，设置了5个传感器节点，各节点检测到的数据可以定时发送到PC机，结果分析效果理想。

4.结论

本文简要介绍了基于Contiki/6LOWPAN技术的矿井监控系统实现的基本原理，以及系统硬件和软件的开发流程。

将Contiki/6LOWPAN技术应用在矿井监控系统，极大地提高了系统的可靠性，而且具有性价比高、节点扩展容易、组装维护简单的特点。实验结果证明，本系统可以达到当初的设计要求，具有比较高的可靠性、稳定性。

参考文献

[1]杨久红.基于GPRS与GPS的嵌入式蔬菜大棚温度监控系统[J].农机化研究，2010（6）：179-182.

[2]王晓喃，高德民.6LOWPAN传感器节点的设计与实现[J].传感技术学报，2010（10）：1501-1504.

作者简介：王鑫鑫（1989―），男，江苏沭阳人，硕士研究生，主要研究方向：自动化控制装备、嵌入式系统及其应用。