|
节约资源和保护环境是我国的一项基本国策.大学作为人口密集区域，资源消耗大户，应是建设资源节约型、环境友好型社会的倡导者和引领者.针对目前大多数高校存在长明灯、人走没关灯等电能浪费现象，有必要对教室光照度值和是否有人进行实时监测，智能控制教室照明[[[] Chiou C K， Tseng J C R. An intelligent classroom management system based on wireless sensor networks[C] International Conference on Ubi-Media Computing. IEEE，2015.]].物联网技术的兴起和大数据时代的到来，更加方便于现人类对环境和状态信息的采集与控制，因此大量的无线传感器网络节点需要接入互联网[[[] 杜经纬， 李海涛， 梁涛. 国内外物联网研究现状及展望[J]. 世界科技研究与发展， 2013， 35（3）.]].然而，截止到2011年，IANA已经分配完了所有的IPv4地址，IPv4协议显然已经不能满足现实的需要.考虑到智能家居、智能医疗、智能交通等大规模应用即将普及，对于地址的需求会更加紧张.尽管CIDR无类别域间路由、NAT地址转换[[[] 袁希群. 使用NAT技术实现网络地址转换[J]. 电脑知识与技术， 2012， 08（4）：790-791.]]、私有地址等技术在一定程度上缓解了IP地址的短缺问题，但是IPv6技术替代IPv4技术已是历史发展的必然[[[] 拉齐亚尼. IPv6技术精要[M]. 人民邮电出版社， 2013.]]. 1 6LoWPAN结构体系 然而将IPv6技术应用于无线传感器网络存在着一系列的问题[[[] Kim E， Kaspar D， Gomez C， et al. Problem Statement and Requirements for IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network （6LoWPAN） Routing[J]. Heise Zeitschriften Verlag， 2012， 15（4）：26，28，30.]].第一，无线传感器网络一般采用IEEE802.15.4标准制定的规范，其数据帧的长度与IPv6有明显差异.第二，无线传感器网络节点一般仅具有简单的微处理器和硬件资源，很难在无线传感器网络节点上实现完整的IPv6技术.第三，无线传感器网络能量较为稀缺，而IPv6技术没有考虑能耗问题. 在这样的背景下，2004年11月互联网工程任务组成立了6LoWPAN（IPv6 Low Power Wireless Personal Area Network）工作小组，旨在解决IPv6技术应用于无线传感器网络尚存的难点.研究基于6LoWPAN的教室监控系统具有很强的理论价值和实际意义，响应国家“节能减排”号召的同时，也为下一代互联网大规模部署IPv6技术奠定基础. 无线传感网络中的设备通常都属于资源受限型传统的TCP/IP协议栈[[[] Peng R， Li Y D， Yang G. Design of a Remote Monitoring System Based on the TCP/IP Protocol[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013， 339：313-317.]]并不适用，因此提出了6LoWPAN协议栈.TCP/IP协议栈和6LoWPAN协议栈结构体系如图1所示.左边是一个典型的TCP/IP协议栈，右边是6LoWPAN协议栈[[[] Gilliss D， Cronquist A， Cartter M， et al. 6LoWPAN framework for efficient integration of embedded devices to the Internet of Things [C] Consumer Electronics （GCCE）， 2014 IEEE 3rd Global Conference on. IEEE， 2014：328-332.]]，两者几乎等同，但又存在些区别. （1）物理层和数据链路层：TCP/IP协议栈采用以太网标准，现在通用的局域网通信标准，要求最大帧长度为1500字节；6LoWPAN协议栈采用IEEE 802.15.4标准，无线连接的个域网通信标准，要求最大帧长度为127字节[[[] 郦亮. IEEE802.15.4标准及其应用[J]. 电子设计应用， 2003（1）：14-16.]]. （2）网络层：6LoWPAN协议栈只支持IPv6，不支持IPv4，而IPv6定义的最小MTU是1280字节，所以IPv6不能直接架构在IEEE 802.15.4 MAC层上[[[] 马亲民， 戴光智. 6LoWPAN适配层分片重组的研究与实现[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2014（4）：1-4.]].6LoWPAN协议栈定义了一个适配层，以在IEEE 802.15.4 链路层上优化IPv6.适配层是6LoWPAN协议栈的核心部分，具体实现的功能有：头部压缩、分片与重组、组播支持、构建网络和地址分配、MAC层路由[[[] 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， 2010， 34（1）：56-60.]]. （3）传输层：TCP（Transmission Control Protocol传输控制协议），是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议.UDP（User Datagram Protocol用户数据协议），一种不可靠传输协议，可以直接传输，无需建立连接，但是传输速率快.由于性能、效率和复杂性的原因，6LoWPAN协议栈没有使用TCP协议，而是使用UDP协议，并且可以使用6LoWPAN格式被压缩. （4）应用层：对于受限设备（如8-bit微处理器）而言，HTTP（超文本传输协议）显得过于复杂.COAP （Constrained Application Protocol受限制应用协议）协议是HTTP协议的简化版，轻量级的Web传输协议，应用于受限网络环境，提供URI、REST式的方法如DELETE，POST，PUT和GET.另外COAP协议为了弥补UDP的不可靠性，釆用了双层的结构，增加了消息重传机制.因此，6LoWPAN协议栈应用层舍弃了复杂的HTTP，而是采用COAP协议[[[] 汤春明， 张荧， 吴宇平. 无线物联网中CoAP协议的研究与实现[J]. 现代电子技术， 2013， 36（1）：40-44.]].
图1 TCP/IP协议栈和6LoWPAN协议栈结构体系 2 教室监控系统总体设计 教室监控系统主要对教室的光照度值、是否有人进行监测，并根据监测值控制照明灯的亮灭.光照度传感器对光照度值进行测量，人体红外传感器对是否有人进行感应，传感器节点采集这两种传感器信息，并将其通过6LoWPAN网络汇聚到6Router网关，6Router网关再将数据经过互联网传送至监控中心.在手动模式下，可以由监控中心发出指令，通过6Router网关，发送至传感器节点，控制节点LED灯的亮灭.
图2 系统硬件结构框图 基于6LoWPAN协议栈的教室监控系统设计与实现由三部分组成：无线传感器节点、6Router网关节点和监控中心.整个系统框架如图2所示. （1）无线传感器节点 每个传感器节点拥有全球唯一的IPv6全局单播地址和本地链路地址，可以与互联网用户进行点到点通信.传感器节点初始化时，将放置位置、IPv6地址、MAC地址、映射的端口号、服务类型等信息向数据库注册.每个传感器节点都有独立的ID，能与其信息进行匹配，在监控中心可以修改节点信息，有利于节点位置、端口号发生变动等.本系统中的无线传感器节点为CC2530节点，每个节点都外接光照度传感器与人体红外传感器，分布在教室的各个位置，采集相应的数据. （2）6Router网关节点 网关节点将6LoWPAN网络的数据通过互联网发送给监控中心，同时接收来自于监控中心的指令，向传感器节点发送指令以控制传感器节点.网关节点有两个作用：一方面，作为6LoWPAN网络的RPL Root节点，发起和管理整个6LoWPAN网络；另一方面，将6LoWPAN网络中的IPv6协议转换为IPv4协议，实现NAT64转换，把每个传感器节点的IPv6地址映射为网关的一个端口号，复用相同的IPv4地址，通过以太网传输到计算机网络，实现6LoWPAN网络接入到互联网. （3）监控中心 监控中心主要接收来自网关节点的数据和向网关节点发送指令，并对教室环境数据进行分析、处理和展示. 3 无线传感器节点设计 无线传感器节点是传感器的直接载体，由光照度传感器、人体红外传感器和传感器节点三部分组成.光照度传感器采用TSL256X系列中的TSL2561芯片，人体红外传感器采用HC-SR501芯片，传感器节点选择德州仪器（TI，Texas Instruments）的CC2530DK硬件平台.要实现传感器节点，关键在于将传感器资源添加到节点服务器上，提供给外部访问，访问方式有GET、PUT、POST和DELETE等. 3.1 添加节点资源 从易用性和成熟度考虑，选取Contiki作为节点实现6LoWPAN协议栈的操作系统，选取RPL为节点自组网的路由协议，并借助网络分析软件帮助理解和诊断网络协议.节点服务器为自启动线程添加了三个线程，分别是udp_sender_process、coap_keepalive_process、rest_server_process，各自维护着自己的服务.要实现传感器节点，关键在于将传感器资源添加到节点服务器上，提供给外部访问.节点自启动线程如图3所示.
图3 节点自启动线程框图 RESTful架构将网络中的实体或信息都抽象为资源，每一个资源都有一个URI与之对应，访问URI即是访问资源.实现教室监控系统需要为传感器节点添加三个资源：GET请求获取光照度传感器采集的光照度值，GET请求获取人体红外传感器的输出信号，POST请求或者PUT请求控制LED灯的亮灭.URI路径设置格式如下所示. COAP-URI= coap：//host：port/path-abempty？query 其中，host为主机名称或主机地址，访问本地主机可用localhost；port为COAP协议的端口号，默认是5683；层级路径以斜线划分，本文要添加的三种资源层级路径分别为“/illumination”，“/human”，“/actuators/leds”.对于要用到与资源有关参数的，在“？”后以“parameter=value”的形式罗列，不同参数间使用“&”分割. 在节点服务器上添加资源分为两步：第一步，在COAP引擎中注册资源信息，包括资源的URI信息、资源提供的访问请求操作和对应该资源的Web链接描述字串.第二步，针对COAP请求，编写对应的资源处理函数返回COAP响应. 3.2 资源测试 无线传感器节点一般都作为COAP服务器使用，需要一个COAP客户端来帮助调试，当前所有浏览器在默认情况下还不支持COAP协议.有团队为Firefox浏览器开发了Copper插件来帮助调试COAP应用. 通过Firefox览器发送Get请求，访问传感器节点资源，包括光照度传感器测量的光照度值和人体红外传感器的输出信号，发送Post请求控制传感器节点资源，控制LED灯的亮灭.从图4的测试结果看出，资源添加成功，可以得到光照度值.
图4 Firefox览器获取光照度值 4 监控中心B/S架构实现 Firefox浏览器做COAP客户端只是测试工具，存在一定的局限性.一方面，仅限于安装Copper插件的Firefox浏览器；另一方面，访问每个资源都要在地址栏输入对应的URL，即使有资源发现机制，只是针对每个节点，对于客户端的请求，服务器响应每个节点所有可用资源.访问不同的节点需要输入每个节点对应的URL，十分不灵活，因此监控中心的B/S架构实现十分必要. 4.1 技术框架 本文采用Node.js技术实现教室监控系统的B/S架构.Node.js是一个开源，跨平台的运行环境，使用事件驱动，非阻塞I/O模型而得以轻量和高效，用于方便地搭建响应速度快、易于扩展的网络应用.Node.js为了支持COAP协议，开发了node-coap插件，教室监控系统B/S架构技术框架如图5所示. 前端开发采用jade高性能模板引擎，它是用JavaScript实现的，并且可以供Node使用，客户端所有请求由jade页面发出，服务器所有响应归于jade页面.此外，选用Bootstrap作为前端的CSS样式框架和jQuery作为前端的JavaScript行为框架. 后台开发采用Express，一个基于Node.js的简单、灵活的web应用开发框架，安装node-coap插件以支持COAP请求和COAP响应.数据库选用MongoDB，分布式文档存储数据库，集合中的文档以键-值对的形式存储，这与JavaScript一脉相承，有利于以后应用扩展.
图5 教室监控系统B/S架构技术框架 4.2 功能实现 浏览器支持HTTP协议，对于客户端发出的HTTP请求，浏览器会解析成请求头、请求体的形式，对于服务器返回的HTTP响应，浏览器会解析成响应头、响应体的形式.但是，当前的浏览器都不支持COAP协议，因此，在网址栏输入coap：//localhost：5683，浏览器是不解析的.实现教室监控系统的关键就是处理COAP请求和COAP响应，Node.js支持COAP，可以将COAP请求响应封装在服务器里面，需要访问传感器节点时，在其请求处理函数里面发送COAP请求，访问传感器节点，并接收返回的COAP响应.具体处理过程如图6，从图中可以看出，COAP请求是由服务器代为发出的，COAP响应也由服务器接收并解析，COAP协议层对用户来说是透明的，用户只需要发送普通的http请求就可以访问6lowpan网络资源，这样就解决了浏览器不支持COAP协议的问题.
图6 教室监控系统B/S架构时序图 教室监控系统效果展示如图7所示，实现了发送Get请求获取传感器节点资源，包括光照度资源以及红外感应结果.系统可以发送Post请求控制传感器节点资源，可控制照明灯的亮灭.还可以在后台新增传感器节点的放置位置、IPv6地址、MAC地址、映射的端口号、服务类型等信息向数据库注册，对节点执行增、删、改、查操作.
图7 教室监控系统效果展示 5 总结 本文设计一种基于6LoWPAN协议栈的教室监控系统，采用node.js技术实现教室监控系统的B/S架构，能够跨浏览器监测教室的光照度值、是否有人和照明信息，根据传感器信息控制照明的亮灭.本系统为每个传感器节点分配唯一的IPv6地址，方便实现对教室照明灯的识别、管理和控制，以及照明灯之间的协同工作，实现教室照明灯的信息化管理，不仅节约能源，更为IPv6技术和物联网技术的发展奠定了基础. 参考文献 [1] Chiou C K， Tseng J C R. An intelligent classroom management system based on wireless sensor networks[C] International Conference on Ubi-Media Computing. IEEE，2015. [2] 杜经纬， 李海涛， 梁涛. 国内外物联网研究现状及展望[J]. 世界科技研究与发展， 2013， 35（3）. [3] 袁希群. 使用NAT技术实现网络地址转换[J]. 电脑知识与技术， 2012， 08（4）：790-791. [4] 拉齐亚尼. IPv6技术精要[M]. 人民邮电出版社， 2013. [5] Kim E， Kaspar D， Gomez C， et al. Problem Statement and Requirements for IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Network （6LoWPAN） Routing[J]. Heise Zeitschriften Verlag， 2012， 15（4）：26，28，30. [6] Peng R， Li Y D， Yang G. Design of a Remote Monitoring System Based on the TCP/IP Protocol[J]. Applied Mechanics & Materials， 2013， 339：313-317. [7] Gilliss D， Cronquist A， Cartter M， et al. 6LoWPAN framework for efficient integration of embedded devices to the Internet of Things [C] Consumer Electronics （GCCE）， 2014 IEEE 3rd Global Conference on. IEEE， 2014：328-332. [8] 郦亮. IEEE802.15.4标准及其应用[J]. 电子设计应用， 2003（1）：14-16. [9] 马亲民， 戴光智. 6LoWPAN适配层分片重组的研究与实现[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2014（4）：1-4. [10] 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， 2010， 34（1）：56-60. [11] 汤春明， 张荧， 吴宇平. 无线物联网中CoAP协议的研究与实现[J]. 现代电子技术， 2013， 36（1）：40-44. 作者单位：华东理工大学信息科学与工程学院 |
