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基于IPv6和异构无线传感网络智能网关型的农业物联网系统设计

更新时间：2019-12-24 10:13:53 大小：2M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：ipv6 无线传感网络 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为改善当前农业物联网中IPv6和单一无线传感网络智能网关的不足,提出1种基于IPv6和异构型无线网络农业物联网智能网关的设计方法.该方法首先结合3种无线传感网络对智能网关进行整体设计,接着利用TUN服务实现了智能网关的无线模块设计,并且实现异构无线网络通信设计,接着定义感知层通信协议,并实现感知层的采集类节点和控制类节点设计,最后对系统进行了测试和分析.测试结果表明,经该智能网关设计的物联网系统能有效监测农业环境的温度、湿度、光照度等农业环境信息,并进行相应设备的自动控制;验证了IPv6异构型智能网关在农业物联网数据采集和设备控制的有效性,以及构建农业物联网系统的可行性.

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一204一

江

科学2018年第46卷第13期

廖建尚．基于IPv6和异构无

感网智能网关型的

物

网系

[J]．江

科学，2018，46(13)：204— 211

doi：10．15889／j．issn．1002— 1302．2018．13．049

基于IPv6和异构无

的

感网智能网关型

物网系

廖建尚

学院算机工程学院，广广州510650)

(广交通

技

摘要：改善当前

网智能网关的

了智能网关的无

点和控制

物

网中IPv6和一无

感网智能网关的不足，提出1种基于IPv6和异构型无

感网智能网关行整体，接着利用TUN服

，接着定感知通信

果表明，智能网关

的自控制；

网系的可行性。

感网；智能网关

：A 文章号：1002— 1302(2018)13— 0204— 08

网

物

方法。方法首先合3种无

模

，并且

异构无

行了和分析。

境信息，并行相

控制的有效性，以及构建

网；IPv6；异构无

文献

号：TP399；S126

网

通信

，并

感知的采

集

点

，最后

系

的物网系能有效

境的温度、湿度、光照度等

网数据采集和

了IPv6异构型智能网关在

物

关

中

：

物

志

分

《“互网+”

网区域工程方面，要大力推

中的用，在国家示范区率先取得突破，建成一批大

田种植、施园、畜禽养殖、水养殖物网示范基地。我

国是一个大国，不同的域，其物施特点不一

代

三年行

施方案》⋯ 提到在

致，致了物网在

网技中的用研究引起了越来越多的学者关

注，其中智能网关在

，承担了数据的集、封装和

生

中的

用

展

慢。物

物

网在

生

在

生

物

网系中是一个

，目前

关

的技

代

物

网智能

网关的研究非常少，尤其多网融合的智能网关研究更少。

用

网

智能网关是指一种能

集、分析、封装、

数据与信

收稿日期：2018— 01— 31

基金目：国家星火

息的装与技。美国、日本在精准

域方面已有了

划

目( 号：2014GA780056)；广省自然科

化

用，荷

有

好的

了

高效生体系旧1，国建有

学基金( 号：2018A030313195)；广高校省科研目( 号：

2017GKTSCX021)；广省科技划( 号：2017ZC0358)；广州市

科技服体系，促

物

网技

境

的

展¨J。我国

物

网逐有了一定的展，在

控、精准

等方

科技划( 号：201804010262)；广交通

目( 号：2017一l一001)；广省高等

目( 号：20169zp!d)44)。

技

学院重点科研

教育品牌

建

面有一定的用M。一，但关于智能网关的研究

比

少。智

能网关在智能家居、力管网系、水箱控制等域有了一定

作者介：廖建尚(1982一)，男，广英德人，副教授，系分析，主

的研究‘6— 9]。

要从事物网系、高光

lianjianshang@126．eom。

像

理、模式

研究。E— mail：

有学者提出了

物

网系

的

方法”””1，但是都

没有提到智能网关的

。

小

等

了1种基于

element model

parameters

for soil

and

required

tillage[J]．Soil

的个数最多，土壤膨松度高，松土效果最佳。

通

Tillage Research，2007，92(1／2)：227— 242．

比分析不同深松深度、不同工作速度下深松

工

[6] 万同，

永，霍

．深松机深松的碎土方式及受力分析

作阻力及松土效果的仿真果与

果得出，两者化

[J]．中国新技

新品，2010(8)：11一12．

基本相同，由此明用离散元法仿真分析深松工作性能

具有可行性。

[7]付宏，慧敏，

旭，等．基于超

粒模型的二离散元法

算方法[J]．吉林大学学 (工学版)，2008(6)：1383— 1388．

[8]翟力欣，英．基于离散元法的土壤力学接触模型的建立

参考文献：

[J]．江西

学

，2008，20(9)：108— 111．

[1] 昭．深松机关部件有限元分析及

化

[D]．凌：西

[9]于建群，立彬，于文静，等．开沟器工作阻力的离散元法仿真分

北

林科技大学，2012．

析[J]．

机械学，2009，40(6)：53— 57．

．深松工作状受力分析与算机模 [D]．州：河

大学，2004．

[2]

．三离散元法算仿真件的研究[D]．春：吉林大

[10]

守

学，2007．

南

[3]周先，徐

，

新

，等．离散元法研究展及

用述

[11]郭新荣．土壤深松部件松土机理的分析[J]．机化研究，2005

[J]．岩土力学，2007，28(增刊1)：408-416．

(3)：78— 80．

[4]

．基于离散元

分析的土壤

行研究[D]．春：

[12]

有

，

宏。涛，等．土壤浅深松合松耕机

和浅

吉林大学，2005．

A8af

I．Determination

discrete

Z，Rubinstein D，Shmulevich

松土

[J]．机械工程学，2012，48(19)：163— 168．

万方数据

— — — 205· · — —

江

科学2018年第46卷第13期

ZigBee／3G的物网网管系，用于水箱温度的控，但在

但

网

局限于家庭境¨“。霍宏等提出将IPv6无

感器

用方面有一定的局限性¨“。

的可配置无感网 WSN(wireless

关体系构ReGA(Re— configurable Gateway

海等提出1种基于WinCE

以太网接入网关的

智能网关在

不足，主要体

，但缺乏异构网的构建¨⋯ 。

sensor

系

network)网

Architecture)，能

平台并不适

物

网的研究中有一定展，但也存在

在

物

网涉及域多，如大田种植、

施

可

化

和

合管理，但其

的用¨“。

园

息

网

、畜禽养殖、水养殖等不同系。不同的系采用的信

用在其他Linux等开源系

控的技要求不一致，

无法足日益展的

去

一的IPvl5系和无

感

有一些学者异构型网关行了研究。王子卿等提出了

适用于水养殖的异构网关，了养殖水域

只有一个感网，异构网关

，不适用在复境的

系

，

以

物

网的

境

系

快速和广泛用。因此，本研究提出了1种基于IPv6和异构

采

在

数据的

的无

和理，但

型无

网

感网

物

网智能网关

方法，采用不同无

用

网

的

足不同的

系需求。

控¨“。立志等提出1种基于ARM+FPGA的智能家居异

系

架构及网关

构网关的

(Wi— Fi)、家庭

融合，但是缺乏 IPv的支持，也不适用与数据量大的

境¨”。等提出了基于Android系的温室异构网

智能网关

，

ZigBee网、Internet网、无局域网

、家居

境

感控制网等多种网

的

物

网系需要

2个方面的功能，一是作物

生

境信息采集与

，如空气的温湿度、光照度、土壤湿

美

度、二氧化碳度、各种微量元素

等等；二是作物境

境

，初步

了温室

境

，

用于

控制，如淋、灌、遮阳罩的控制等等。本研究提出了1种

ZigBee、RS一485、Wi— Fi 3种网

的控制功能和IPv6的功能¨“。

的

境数据

，没有

基于IPv6的智能网关

1所示。

其中点的数据采集通 3种无

物

网架构的

方法，

数据的采集和

。3种无

功能

，

如

物

网系需要

有一些学者 IPv6网关行了研究。向敏等

了1

，

网

款

网

用于智能网的IPv6多接入通信网关，但

局限于

分

用

是802．15．4、牙和Wi— Fi，并通智能网关

的通信。

和

域Ⅲ1。姚崇高等提出了1种基于IPv6的家庭网关

多无

网

的

物

网功能

APP

2基于IPv6智能网关

▲

物

网系需要在感知

境控制，感知

通信。本研究

感网，用于

境信息采集与

境采集和控制需要通

了1种IPv6智能网关，

Android系

的

网

IPv6

TUN虚

网

智能网关和

用

集成了3种无

物

网中的多种系

的

牙

l串口

Wi．Fi

信息采集和控。

千

牙模

千

个

Wi．Fi模

2．1智能网关整体

IPv6智能网关集成了3种不同的无

点模独立与网关行通信。802．15．4模

串口接与网关通信，牙模 USB 接保

与网关行通信，Wi— Fi模 USB 接保

与网关行通信。多无

网

点模，每

1802．15．4模

种无

通

网

通

牙

无

网

通

Wi— Fi无

网

了

网

融

合通信，IPv6网关将3种不同的通信渠道一中到TUN虚

网

理，从而

3种无

2所示。

网

同

在IPv6网关

802．15．4模

服，通 TUN服

通

串口

送感知数据包到TUN

到TUN虚

上正常通信，整体

如

成IPv6数据包，并

万方数据

．．—

— 206．．— —

江

科学2018年第46卷第13期

网

行

一

理并送出去；牙模和Wi— Fi模

、wi— Fi 送感知数据包到指

指定端口将感知数据包

TUN服，TUN服将根据端口号生成Socket 理，将

来的感知数据包成IPv6数据包，到TUN虚

网

TUN。7rUN提供与硬件的网

理相数据包如IP数据封包，并向操

送数据包，从而接收外部数据，同

完全相同的功

通

分

通

牙

能，模

网

，

定的服程序，

服

通

作系的网

了字符

送

，用于

空

接

用

和内核

，

用

可以通

TUN

向用

送数据旧⋯ 。了更好地与各种无

1种TuN服程序、wi— Fi网关服

网

行

一中

2．2智能网关无

IPv6异构无

。

点通信，本研究

网

模

程序和牙网关服程序，完成和无

TUN服程序和 3所示。

模

的通信，其中

了

感网，智能网关采用了虚

如

TUN服

的

流程

2．2．1

802．15．4 界路由器与网关通信

界路由器

数据包

Wi— Fi网关服程序，Wi— Fi网关服

程

要收集其他点的数据，需要先建1个被称 DODAG的

序将感知数据包

网关底的Wi— Fi

，最后通

Wi— Fi模将感知数据包

网

上其他的Wi— Fi模

根

点。界路由器通感知通信

(Perception layer

communication

点。Wi— Fi网关服程序如 4所示。

protocol，PLCP) 取网地址后，自身配置1

个IPv6的地址，然后再建1个新的根点，其他感知

点加入到个根点中，点的无数据通信。

界路由器需要将收集的数据网关，

下：首先802．15．4 界路由器将收集的无

的

2．2．3 牙模与网关通信

了1个牙服程序

牙模与网关通信，

和

牙无

求

模

送

和TUN之的通

送

程如

信，APP 用端将IPv6数据包

rI．UN服将TUN虚

TUN虚

，

点数据通

串

来的IPv6数据包

成感知

口

其

虚

把感知数据包

IPv6数据包后

送

TUN服，然后TUN服

TUN虚

将

数据包，TUN服

指定端口

与

牙网关服程序建立TCP 接后，

牙网关服程序，牙网关服程序

，接着由TUN

通

将IPv6数据包上到Linux内核的IPv6 ，最后

通

端口将感知数据包

网关底

网

的

牙

，

TCP

送

APP；反之，

用

APP将IPv6数据包

而通

牙模将感知数据包

上其他的牙模

求

送到智能网关的TUN虚

来的IPv6数据包

，TUN服将TUN虚

点，其中牙服程序程与Wi— Fi 似。牙网关服

程序流程如 5所示。

成感知数据包后通串口

2．2．4

送

802．15．4 界路由器，最后通 802．15．4无

模

TUN服程序

件

TUN服程序

的功能

将感知数据包

点的控制。

2．2．2

点网的802．15．4模，从而

有：(I) 取串口、Wi— Fi网关服程序和牙网关服程序

的感知数据包，并到TUN虚；(2)

TUN网的感知数据包，并到串口、Wi— Fi网关

来的感知

网

取

Wi— Fi模与网关通信

Wi— Fi无网可以

工作在AP(access

服

程序和牙网关服程序；(3)将

成IPv6数据包。

送

数

point)模式和Sta(station)模式下，智能网

AP模式下，无点是 Sta模式，

智能网关的Wi— Fi模将多个无成一个网

关的Wi— Fi

置

据包

点

。

TuN服

关服程序的感知数据并

了取TUN虚数据并

了

串口、wi— Fi网关服程序和牙网

到TUN虚，同

到串口、Wi— Fi网关服

6所示。

Wi— Fi模需要

与网关通信，

了1个Wi— Fi

用

服

程序完成Wi— Fi无

模

和TUN之通信，

APP将IPv6数据包

送

TUN虚

，TUN服将TUN

成感知数据包，TuN服

接后，通端口将感知

程序和牙网关服程序，

2．3异构无通信模

如

虚

来的IPv6数据包

与Wi— Fi网关服程序建立网

感知的3

无

点接收到感器模采集的数据之

万方数据

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