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一種IPv6無線傳感器網絡后臺數(shù)據系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

2008-07-22
作者：劉晨曦，張思東，郜 帥

??? 摘? 要: 提出了基于IPv6無線傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡與CDMA公共無線通信網相融合的網絡架構的后臺數(shù)據系統(tǒng)，作為精準農業(yè)管理系統(tǒng)的一部分，負責傳感數(shù)據的接收、存儲以及控制命令的發(fā)送。
???關鍵詞：IPv6?無線傳感器網絡?后臺數(shù)據系統(tǒng)

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??? 無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域的傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網絡，具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴展等優(yōu)點?？梢詰糜趪儡娛?、環(huán)境監(jiān)測和預報、農業(yè)監(jiān)測控制、智能交通、智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領域[1]，具有廣闊的應用前景，受到越來越多的關注。IPv6[2]是下一代互聯(lián)網的核心協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動配置、支持實時業(yè)務、安全性高、移動性好等優(yōu)點。將IPv6與無線傳感器網絡結合構建的IPv6無線傳感器網絡，可以滿足未來無線傳感器網絡在地址、可擴展性及與現(xiàn)有網絡融合等方面的需求，已成為其研究熱點之一。
??? 無線傳感器網絡通常由不同類型傳感器節(jié)點和網關設備構成。傳感器節(jié)點實時地采集特定區(qū)域的傳感信息" title="傳感信息">傳感信息，發(fā)送到網關，網關設備通過特定的方式與現(xiàn)有的網絡實現(xiàn)互聯(lián)互通，將傳感信息發(fā)送到遠程服務器端，由無線傳感器網絡后臺數(shù)據系統(tǒng)進行處理。本文設計并實現(xiàn)了應用于精準農業(yè)系統(tǒng)環(huán)境的IPv6無線傳感器網絡后臺數(shù)據系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括接收、處理和存儲傳感數(shù)據以及發(fā)送控制命令幀等功能。無線傳感器網絡和Internet骨干網絡之間的數(shù)據傳送通過CDMA網絡實現(xiàn)。
1 后臺數(shù)據系統(tǒng)設計
1.1 基于精準農業(yè)的無線傳感器網絡架構
??? 本文以精準農業(yè)的管理系統(tǒng)為例，具體架構見圖1。

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??? 農業(yè)基地受地理位置影響，通常缺乏Internet網絡基礎設施。為了實現(xiàn)農業(yè)基地監(jiān)測控制和智能管理，部署的IPv6無線傳感器網絡借助于CDMA網絡基礎設施，能夠方便有效地與現(xiàn)有網絡進行信息交換。在該系統(tǒng)中，主要存在以下兩種類型的數(shù)據傳輸：
??? (1)傳感器節(jié)點需要將實時采集的各種傳感數(shù)據發(fā)送到網關節(jié)點，通過特定的CDMA網絡接入設備并借助于CDMA網絡數(shù)據傳輸業(yè)務最終將數(shù)據發(fā)送到現(xiàn)有Internet中的服務器后臺處理系統(tǒng)。后臺數(shù)據系統(tǒng)將節(jié)點的各種傳感信息寫入數(shù)據庫，以供用戶隨時調用。
??? (2)管理員可以點擊Web網頁構造控制信息，由后臺數(shù)據系統(tǒng)通過CDMA網絡將命令發(fā)送到IPv6無線傳感器網絡中，由傳感節(jié)點的執(zhí)行部分最終實現(xiàn)對農業(yè)基地的有效管理。
??? 在該系統(tǒng)中，CDMA網絡的數(shù)據業(yè)務采用IPv4和TCP協(xié)議，而無線傳感器網絡采用IPv6技術以及簡單有效的UDP傳輸控制協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據的收發(fā)和處理。因此，本文在精準農業(yè)管理系統(tǒng)中設計了一種接收數(shù)據包，格式如圖2所示。

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??? ?根據精準農業(yè)管理系統(tǒng)需求以及數(shù)據包格式轉換過程，設計的后臺數(shù)據系統(tǒng)應具備以下特點：
??? (1)接收處理一種新型隧道包：根據數(shù)據包的格式轉換,該系統(tǒng)處理過程可以看作封裝在IPv4網絡中的IPv6數(shù)據包的隧道機制,但又與傳統(tǒng)的隧道機制有明顯區(qū)別,主要體現(xiàn)在后臺數(shù)據系統(tǒng)的IPv6數(shù)據包是作為IPv4協(xié)議棧" title="協(xié)議棧">協(xié)議棧應用層數(shù)據傳輸?shù)?。因?這種新類型的隧道機制處理流程,是設計后臺數(shù)據系統(tǒng)的核心問題。
??? (2)構造并發(fā)送命令幀：命令幀在通過IPv6協(xié)議棧后被封裝成IPv6格式,如何使IPv6輸出隊列的命令幀回到用戶空間，利用原來的IPv4套接口進行發(fā)送，是后臺數(shù)據系統(tǒng)解決的難點問題。
??? (3)及時響應事件驅動：在等待數(shù)據接收時，后臺數(shù)據系統(tǒng)發(fā)送控制命令是一個事件驅動的過程，如何及時響應這個事件驅動，提高工作效率，是衡量后臺數(shù)據系統(tǒng)的一項重要指標。
1.2?后臺數(shù)據系統(tǒng)模型
??? 后臺數(shù)據系統(tǒng)主要用于收集信息，發(fā)送控制命令，完成對無線傳感器網絡中傳感器節(jié)點的監(jiān)測與控制。根據后臺數(shù)據系統(tǒng)所實現(xiàn)的不同功能，系統(tǒng)設計采用分層體系結構，分成內核空間和用戶空間兩大部分，采用Linux操作系統(tǒng)作為內核空間基本平臺。分層的體系結構能使系統(tǒng)的功能實現(xiàn)透明化，各個層不需要了解其他層的具體工作，只需根據層間的接口所提供的服務，獨立完成自己的功能，這種設計使后臺數(shù)據系統(tǒng)具有很強的靈活性和可擴展性。后臺數(shù)據系統(tǒng)模型如圖3所示。

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??? 接收數(shù)據包時，在用戶空間開啟一個進程，利用面向連接的IPv4套接口建立通信鏈路。用戶將自己編寫的內核函數(shù)通過insmod命令模塊載入內核netfilter[3]架構，使數(shù)據包在到達IPv4接收隊列時，通過NF_HOOK()[4]函數(shù)將數(shù)據傳送到IPv6協(xié)議棧，通過IPv6套接口，完成傳感數(shù)據包的接收處理，并寫入數(shù)據庫。
??? 發(fā)送命令幀時，首先需要解決的是如何將構造的IPv6命令幀封裝在IPv4數(shù)據包中。其次，需要利用本地主機通信的方式，采用UNIX域協(xié)議，及時發(fā)送控制命令信息。
2 后臺數(shù)據系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 接收流程的實現(xiàn)
??? 后臺數(shù)據系統(tǒng)首先在Linux內核中將自己編寫的模塊載入netfilter架構。當該系統(tǒng)接收到公網Internet傳送過來的IPv4數(shù)據包后，調用Linux內核中原有的IPv4 協(xié)議棧，對IPv4協(xié)議和TCP協(xié)議進行解析，獲取CDMA網關的IPv4地址以及TCP狀態(tài)等信息，再由netfilter架構中已載入模塊獲得內核IP隊列中的IPv4數(shù)據包，取出TCP協(xié)議的載荷數(shù)據，發(fā)往IPv6接收隊列，最終通過IPv6協(xié)議棧，經過INET6套接口到達用戶空間。獲得最終應用層傳感信息，并寫入數(shù)據庫。處理流程如圖4所示。

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??? 后臺數(shù)據系統(tǒng)在用戶空間進行處理時，將從內核空間獲得的傳感數(shù)據根據Type字段分成地址信息和傳感信息,進行不同的操作。
??? 后臺數(shù)據系統(tǒng)的接收模塊與MySQL[6]數(shù)據庫建立連接后，根據收到的信息進行判斷，將相應的傳感信息進行存儲。
2.2 發(fā)送流程的實現(xiàn)
??? 發(fā)送信息流程主要負責命令幀的構造，發(fā)送各種控制信息，實現(xiàn)對整個傳感器網絡及其內部單個節(jié)點的控制?？刂菩畔⒅饕ǎ嚎刂葡鄳?jié)點進行溫度、濕度、光強以及CO2濃度等各種數(shù)據的采集，執(zhí)行部分的操作命令等。具體過程如圖5所示。

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2.2.1 命令幀的構造與響應
??? 命令幀的構造是一個基于事件驅動的過程。通過點擊網頁的事件，觸發(fā)后臺數(shù)據系統(tǒng)的調用函數(shù)開始構造IPv6命令幀。
??? 命令幀的響應過程是通過本地通信的UNIX域協(xié)議進行的。在后臺數(shù)據系統(tǒng)啟動時便創(chuàng)建了一個新的線程作為監(jiān)聽模塊，用于建立本地通信的套接字" title="套接字">套接字，綁定UNIX域套接口，之后監(jiān)聽模塊阻塞，等待事件的觸發(fā)。當用戶或管理者需要某一個具體的傳感節(jié)點采集相應的傳感數(shù)據時，通過點擊Web網頁的發(fā)送按鈕，觸發(fā)發(fā)送命令幀的程序，開始主動連接本地UNIX域套接口，由于后臺數(shù)據系統(tǒng)的監(jiān)聽模塊是一個單獨的線程，當有連接請求到達時，立刻會被喚醒，監(jiān)聽模塊調用read函數(shù)，接收此命令幀，并將其拷貝到發(fā)送模塊緩沖區(qū)。
2.2.2? 命令幀的發(fā)送
??? 發(fā)送模塊將緩沖區(qū)中命令幀取出，使用面向無連接的IPv6套接字，經過Linux內核的UDP和IPv6協(xié)議棧將命令幀發(fā)送到IPv6輸出隊列。
??? 在內核中，提前在netfilter架構上加載ipip6_kern.o模塊，主要用于截獲IPv6輸出隊列的數(shù)據包并進行處理。在命令幀到達IPv6輸出隊列后，由ipip6_kern.o模塊中的“鉤子”函數(shù)，將整個數(shù)據包攔截下來，判斷是否是命令幀，若是命令幀，則將其從IPv6輸出隊列取出，同時拷貝到netlink套接字緩沖區(qū)，重新封裝，加載netlink報頭，并將封裝后的命令幀利用netlink套接字發(fā)送回用戶空間。用戶空間的轉發(fā)模塊可以接收該命令幀，并將其拷貝到與傳感器網關設備相連的套接字緩沖區(qū)，最終實現(xiàn)IPv4命令幀的發(fā)送。
3 功能驗證
????實驗是在農業(yè)基地的一個溫室中進行的，在溫室中擺放15個傳感器節(jié)點，其中4個CO2濃度節(jié)點，5個溫度節(jié)點，3個光強節(jié)點，3個空氣濕度節(jié)點。圖6是溫度傳感器工作時的實驗系統(tǒng)（圖中只標明溫度傳感器）。

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??? 由于后臺數(shù)據系統(tǒng)構建在IPv6網絡之上，IPv6網絡可以為每一個溫度傳感器節(jié)點進行標識。首先節(jié)點啟動后，將自身的地址信息發(fā)送到服務器系統(tǒng)，服務器系統(tǒng)中的接收模塊接收到數(shù)據包后，檢查type字段是否為0，為0則確定為地址信息包，將接收到的數(shù)據包的相關信息存放到MySQL數(shù)據庫的地址信息表項中，數(shù)據庫中記錄的地址表項如圖7所示。

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??? 在圖7中，擴展地址后四位為8919的節(jié)點是無線傳感器網絡的網關，在sensor_type中用X表示。所有其他傳感器節(jié)點采集的傳感信息均發(fā)送到網關上，它通過串口和CDMA網絡接入設備相連，封裝成CDMA數(shù)據，從CDMA公網中轉發(fā)出去，擴展地址后四位為6041，6042，6043，6044，6045為5個溫度傳感器節(jié)點，在sensor_type中用T表示。
??? 在IPv6網絡上還可以實現(xiàn)對單個具體的溫度傳感器節(jié)點進行管理和控制，可以在Web網頁上觸發(fā)6045節(jié)點，使它完成對溫度傳感數(shù)據的采集，并最終傳送到后臺數(shù)據系統(tǒng)的數(shù)據庫中。圖8為后臺數(shù)據系統(tǒng)接收溫度節(jié)點6045傳送的一次溫度傳感數(shù)據時，用Ethereal軟件抓包分析的結果。
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??? 如圖8所示，目的地址為211.71.71.145，為后臺數(shù)據系統(tǒng)的IPv4地址。圖中標注的6045為節(jié)點，而01表示傳感數(shù)據，83用二進制表示為10000011，最高2位為10，表示傳感信息包，后6位為3，表示溫度傳感數(shù)據。隨后的兩位18和01，則表示節(jié)點6045采集的實時溫度。
??? 一般情況下，節(jié)點周期性地（本系統(tǒng)采集周期為1分鐘）采集周圍的環(huán)境參數(shù)并傳輸?shù)胶笈_數(shù)據系統(tǒng)數(shù)據庫模塊。節(jié)點6045采集的實時溫度曲線如圖9所示。

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???? 本文設計和實現(xiàn)了一套應用于精準農業(yè)的無線傳感器網絡后臺數(shù)據處理系統(tǒng)，通過netfilter架構，在Linux內核中注冊一個 “鉤子”函數(shù)，利用動態(tài)載入內核模塊的方式，實現(xiàn)了處理IPv4封裝IPv6數(shù)據的系統(tǒng)框架。擴展了內核的功能。同時，利用Linux內核本身所具有的本地UNIX域協(xié)議，實現(xiàn)了控制命令的主動發(fā)送。此外，該后臺數(shù)據系統(tǒng)還具有開放式網絡體系結構以及通用的數(shù)據接口，具有良好的擴展性，能夠適用于無線傳感器網絡的其他應用。
參考文獻
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[2] RFC2460, S. Deering Internet Protocol,Version 6
[3] The netfilter/iptables project, http://www.netfilter.org.
[4] RUSSEL P, WELTE H. Linux netfilter hacking HOW TO?[EB/OL]. http://www.netfilter.org.
[5] STEVENS R. UNIX Network programming. Addison Wesley.2003.
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