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6lowpan和Zigbee在种植监控传感网络中应用的探索与分析摘 要：无线网络技术已逐渐渗透到生产、生活等各个方面，通过与“物联网、云计算、大数据”等信息技术的融合，实现农业生产标准化、规模化、智能化。本文立足于精准农业中种植监控无线传感网络架构模式，针对IEEE802.15.4标准上的6LowPan和Zigbee这两种组网方式进行分析，根据目前技术成熟度与行业中常用的芯片进行无线网络架构的探索，分别归纳出两种切实可行的组网方式，给出了系统体系结构和核心硬件架构等。关键字：精准农业、传感网络、种植监控、Zigbee、6LowPan作者：龚骏毅，王筱东，姚姿娜，冯军单位：广西慧云信息技术有限公司引言近年来，无线网络技术已逐渐渗透到生产种植和日常生活等各个方面，随着物联网的流行与发展，无线网络技术中的短距离无线通信技术已成为新的热点。无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)具有结构紧凑、易于布置、易于维护、价格便宜、测量精度高等优点，非常适合设施精准农业中的监测与控制，针对不同产区与作物，定位、定时、定量地实施一整套现代农业操作技术与管理，根据农作物生长状况和生长环境，智能地调节各环节投入物，以最合理的投入达到最高效的收入，取得经济效益和环境效益。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线传感葡萄园，传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一段时间检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量以确保葡萄可以健康生长，进而获得了大丰收。IEEE 802.15.4技术标准就是为上述目标制定的，由于IEEE 802.15.4标准只规定了底层，具有可扩展性（单一的媒体访问控制(MAC)层和多样的物理层，至于MAC层以上的协议，可以采用不同的方案）。由此就产生了多种不同的技术，ZigBee和6LowPan就是其中的最为流行的两个，本文将立足于精准农业中的种植监控，对比和分析ZigBee和6LowPan传感网络的优劣并探索优化方案。种植监控传感网络主要功能1、环境信息的监测、传输及统计。传感器节点能够收集现场各类传感信息并传输至互联网服务器平台，为精准农业指导生产提供数据基础，让离线数据挖掘和分析成为可能。2、数据访问与控制。实现对监控区域的远程数据访问，在系统运行期间，普通农业劳动者将不受地理位置限制，使用智能手机或者WEB访问的方式即可通过系统平台对传感器节点进行点到点的访问和控制。3、低功耗传感器节点。根据农作物的生长周期，监控系统在无人干预的条件下，能够依靠自身电池连续工作运转几个月，合理利用传感器的休眠状态和激活状态，将能耗降到最低，延长系统生存时间。4、现场设备控制。采用传感器节点控制生产现场的灌溉、扫风、幕帘等系统的开关实现农业环境的远程实时控制，通过现场无线传感网络与互联网相结合的点到点通信，使得用户向特定传感器节点发送命令，实现对该设备的开关量或模拟量的控制。网络架构一套种植监控系统通常由前端传感器网络、网关、互联网以及软件系统平台构成，在网络结构上多采用无线内部传感网络结合互联网的结构体系，增强系统的可用性与伸缩性性，实现用户通过多种方式体验监控平台服务。通过在生产现场部署大量传感器并组成无线传感网络，实时监测微小的气候变化，远程控制现场设备；所有数据汇聚到网关并通过互联网将数据传输到系统平台进行处理，最终实现农业生产的全程监控。Zigbee传感网络ZigBee技术是一种的近距离、高可用性、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要应用于近距离无线连接。ZigBee技术并不是完全独有的、全新的标准。ZigBee的物理层、媒质介入层、数据链路层采用了IEEE802.15.4协议标准，并在此基础上进行了完善和扩展；ZigBee的网络层、应用会聚层和高层应用规范(API)由ZigBee联盟进行了制定,通过应用汇聚和API接口将不同的应用映射到Zigbee网络上；网络层采用基于AODV路由，除了包含通用的网络层功能，还继承了IEEE802.15.4标准的低功耗，实现了网络的自组织与自维护功能，保证高可用性的基础上最大程度降低网络的维护成本。Zigbee通过独立的工作节点为基础组成网络，网络拓扑包括星型网络、树形网络、网状网络三种，用户能够通过实际需求来选择拓扑结构。ZigBee技术支持地理定位功能，可由多个无线微功率数据传输模块组成一个庞大的无线数据传输网络平台，每一个ZigBee网络数据传输模块类似移动网络的一个基点，能够直接进行数据的采集和监控，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信、中转其他模块传来的数据。另外，整个ZigBee网络还可以通过网关节点与现有的其他各种网络实现有效的链接。传感器节点Zigbee传感器节点是一个最小化的嵌入式系统，它由数据采集模块、处理器模块、无线收发模块和电源四个部分组成，构成了无线传感网络的基础平台。数据采集模块对接各类环境传感器，将传感器采集上来的原始信号转变为统一的数字信号兵传送给处理器模块；处理器模块负责处理整个节点的处理操作，一方面存储数据采集模块采集上来的数据，另一方面处理其他节点发来的数据，实现前端数据的存储、处理、分析、路由等功能；无线收发模块负责与其他节点间进行通信以及跟现场控制设备的通信，实现休眠模式与激活模式的切换，实现高可用性与低功耗的协调。网关节点网关节点负责无线传感器网络与其他外部网络的数据交互，将传感网络内各传感节点采集的数据转发到IP网络或者其他通信网，进而通过互联网将现场数据传输到系统平台；同时也将系统平台下发的相关控制命令转发到传感网络中相应节点，实现远程控制。网关担负则整个无线传感网络跟外界网络的交互，资源需求较高，而且根据不同的网络状况适应相应的网络协议，所以在定制开发中我们通常采用高性能ARM核心的平台，对外根据不同网络情况选定集成以太网模块、WIFI模块或者GPRS模块，对内只需集成Zigbee模块即可满足不同层次的应用需求，保证高可用性的同时兼顾了性能，方便系统的调试。6lowpan传感网络6LowPan组织成立于2004年11月，是IETF的一个工作组。同ZigBee技术一样，6LowPan技术也采用的是IEEE 802.15.4规定的物理层和MAC层，不同之处在于6IowPan技术使用IETF规定的IPv6功能，采用IPv6协议栈。虽然Zigbee在技术成熟度和产品市场化程度相对于6lowpan都存在一定优势，但是6lowpan始终是无线传感网络的发展趋势，凭借IPV6提供的大量IP地址，使得每一台6lowpan设备拥有唯一IP地址接入互联网，实现与用户或系统的点到点通信。6LowPan技术的主要思想是在IPv6层和MAC层之间加入负责适配的6LowPan子网层，一方面兼容IEEE的MAC层和物理层，另一方面同时提供对IPv6的支持，实现在IEEE802.15.4上传输IPv6数据包。由于IEEE802.15.4的网络特性，使得IPv6不能直接构建在IEEE802.15.4基础之上，目前6LowPan子网层的设计面临一些问题，归结起来就是降低四个方面的指标，即报文消耗、带宽消耗、处理需求以及能量消耗，目前我们通过6LowPan网关节点来精简IPv6协议栈，实现与IEEE的对接，完成数据包的路由转发。传感器节点传感器节点包括五个组成部分：无线收发模块、微处理器、传感器、A/D转换模块以及电源模块组成。传感器感知采集的原始数据通过A/D转换变为机器能够处理的数字信号，经过微处理器对数据进行处理和封装后，由收发模块发送给互联网平台。由于传感器节点一般处于生产现场，基础建设条件资源有限，对于功耗的要求较高，所以在设计中节点节能是一个十分重要的问题，传感器节点的主要的功耗在于数据传输。6LowPan无线传感器网络的链路层采用IEEE802.15.4标准，IEEE802.15.4标准因其低成本、低功耗及高传输质量被认为是无线传感器网络的理想实现技术。一般情况下，全功能节点只占6LowPan无线传感器网络所有节点的一小部分(小于10)，而大部分传感器节点只用于采集和发送/接收本节点的数据，通过处理器中合理的任务管理就可以最大程度优化节点工作占空比，使得传感器节点大部分时间处于休眠状态，实现低功耗。网关节点6LowPan网关节点连接WSN与互联网，实现协议栈的转换以及数据包的路由转发。6LowPan网关通过无线收发器接收WSN中传感器节点发送的精简数据包，通过微处理器还原为完整的IPv6数据包，转发到互联网系统平台；相应的，6LowPan网关接收互联网的数据包，通过微处理器进行精简处理，并将精简后的数据包通过无线收发模块发送到WSN中的相应传感器节点。微处理器内核采用ARM920T，64MB FLASH 以及64MB SDRAM，通过写入FLASH的算法实现数据包的精简和复原处理；无线收发器采用CC2420，支持IEEE802.15.4标准且数据传输率为250kbps，满足传感器这类小数据量的传输。对比分析稳定性：Zigbee采用AODV路由，适用于无线信号较为稳定的现场；6LowPan则采用RPL路由，具有较高的灵活性，链路冗余，稳定性较好。开放性：Zigbee需要采用专用接口，协议栈目前尚未开源，与其他类型网络数据交互需要通过专门网关进行转换，独立内网内使用专用地址，互联网系统平台访问节点需要经过网关NAT转换后才能够导向相应节点；6LowPan支持IPv6体系，理论上能够实现与HTTP的无缝转换，每一个节点都能够在互联网上拥有独立IP，方便系统平台实现点对点的通信，协议栈开源免费，开放性较强。先进性：Zigbee技术已经发展成熟，已经出现完整的商业化产品结构体系，广泛应用在各类工业、农业等生产现场；6LowPan技术目前还处于完善的阶段，开源的协议栈和各类仿真软件方便各类团体研究和开发，根据不同需求催生出适应不同需求的解决方案，对于IEEE和IPv6的融合技术将成为物联网技术的发展趋势。节能性：Zigbee与6LowPan底层都是采用IEEE802.15.4标准，都能够通过休眠模式与激活模式的切换保证无线网络具有较低功耗。结论本文立足于精准农业中种植监控无线传感网络架构模式，针对IEEE802.15.4标准上的6LowPan和Zigbee这两种组网方式进行分析，根据目前技术成熟度与行业中常用的芯片进行无线网络架构的探索，分别归纳出两种切实可行的组网方式。Zigbee技术已经全面商业化，拥有完整的产品结构并在各种生产现场广泛使用；6LowPan技术虽然目前在IEEE和IPv6的承接上存在一定问题，需要通过网关的方式实现数据交互，但是随着物联网技术的发展和下一代网络IPv6的广泛使用，越来越多的传感器组网并接入互联网， 6LowPan技术凭借其得天独厚的优势，必将全面取代Zigbee技术，在精准农业领域得到更加广泛的应用。参考文献：1 乔晓军，张馨，王成. 无线传感器网络在农业中应用 J .农业工程学报,2005,21（增刊）：232-2