基于6LoWPAN 的智慧路燈數(shù)據(jù)采集裝置的設計

艾茂華

（湖南水利水電職業(yè)技術學院，湖南 長沙410131）

2008 年美國BIM 就提出了智慧地球的概念，而智慧城市作為智能地球的重要組成不分，已經(jīng)成為當前研究的熱點之一。在智慧城市理念下，傳統(tǒng)路燈由于功能單一、控制較為簡單，而且存在著嚴重的資源浪費問題。因此，智慧城市理念下的城市路燈就需要升級，讓其具備較強的信息感知、信息傳遞等多項功能，以此來實現(xiàn)路燈的智能化控制。而城市路燈的智能化控制需要高性能的數(shù)據(jù)系統(tǒng)作為基礎，因此，智能路燈數(shù)據(jù)采集裝置的設計具有重要的意義。

1 6LoWPAN 協(xié)議簡介

6LoWPAN（IPv6 over Low power WPAN）協(xié)議是IEEE 制定的一種標準，其主要功能是研究Ipv6技術，也就是實現(xiàn)IPV6 協(xié)議的標準化。6LoWPAN的IEEE802.15.4 標準應用在物理層與MAC 層，在傳輸層采用UDP 協(xié)議，從而使得6LoWPAN 協(xié)議與TP/IP 協(xié)議具備一定的相似之處。由于6LoWPAN 協(xié)議由其在MAC 加入了適配層，從而使得其能夠很好的應用在低功率的傳感器之中，具有較強的適應性、開放性和普及性。

2 系統(tǒng)功能需求與架構設計

2.1 系統(tǒng)需求

（1）能夠滿足互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)融合，數(shù)據(jù)通過底層傳感網(wǎng)絡采集，由互聯(lián)網(wǎng)遠程傳輸至數(shù)據(jù)庫中，因此，所設計的底層傳感網(wǎng)絡要能夠與互聯(lián)網(wǎng)融合。

（2）要能夠大范圍的應用。由于層數(shù)屬于一個大范圍的分散系統(tǒng)，需要海浪的數(shù)據(jù)節(jié)點，且采集節(jié)點的地址必須是唯一的，這樣才能確保數(shù)據(jù)的獨立性。

（3）數(shù)據(jù)體系結(jié)構完善。智慧路燈數(shù)據(jù)采集裝置需要完善的體系，包括路由器、交換機以及服務器。

2.2 系統(tǒng)總體架構

基于6LoWPAN 的智慧路燈采集系統(tǒng)總體架構如圖1 所示：

圖1 系統(tǒng)總體架構

從圖1 可以看出，LED 路燈的運行由STM32 嵌入式處理器的數(shù)據(jù)采集模塊來控制，對路路燈的實時數(shù)據(jù)進行采集。邊緣路由器、網(wǎng)絡交換機以及基于6IoWPAN 數(shù)據(jù)傳輸模塊來采集路燈的運行數(shù)據(jù)，最后將數(shù)據(jù)傳輸給服務器。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

智慧路燈數(shù)據(jù)采集模塊作為系統(tǒng)的感知單元，其主要功能是控制路燈的莊嚴以及采集其運行數(shù)據(jù)。該模塊采用STM32 處理器芯片，該處理器成本低、性能高，具有指令集Cortex-M3 架構，時鐘速率可達到82MHz，本系統(tǒng)采用的芯片能夠滿足路燈數(shù)據(jù)采集功能需求，而且還增加了PM2.5、射頻識別等功能，設置了預留接口。STM32F103 芯片通過USART 接口和智能路燈的驅(qū)動電源模塊進行通信，發(fā)送控制指令以及路燈的運行數(shù)據(jù)和電壓數(shù)據(jù)。

3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

無線傳感普遍采用的組網(wǎng)技術由WIFI、ZigBee以及6IoWPAN。WIFI 技術所支持的節(jié)點較少，但是本文所設計的智能路燈需要在一條線路上多臺路燈，因而WIFI 組網(wǎng)就不合適。ZigBee 與6IoWPAN技術在數(shù)據(jù)采集方面具有廣泛的應用，因而本文選用6IoWPAN 組網(wǎng)傳感器。每個6IoWPAN 節(jié)點都有為一個IP 地址，若1 個路燈與一個6IoWPAN 節(jié)點連接，就等于每一個路燈都具有一個固定的編碼。6LoWPAN 核心芯片為AT86RF2121，該芯片的傳輸速率為880MHz。

3.3 邊緣路由器

當前Ipv4 通信協(xié)議應用最為廣泛，但是6LoWPAN 是基于Ipv6 協(xié)議，因此要使得6LoWPAN能夠與互聯(lián)網(wǎng)直接相連，就需要進行協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。邊緣路由器能夠?qū)崿F(xiàn)IP 協(xié)議與6LoWPAN 之間轉(zhuǎn)換，做到Ipv6 與Ipv4 的互通。6LoWPAN 邊緣路由器屬于異構網(wǎng)的網(wǎng)關，功能是建立6LoWPAN 網(wǎng)絡、拓撲結(jié)構的維護以及數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)發(fā)。本文基于開發(fā)盡量簡單的原則，采用CC2538 為主控單元，包括了電源模塊、FLASH 存儲器單元以及網(wǎng)絡控制單元等，其硬件結(jié)構如圖2 所示：

圖2 邊緣路由器硬件結(jié)構

3.4 工控板設計

數(shù)采集裝置系統(tǒng)設計處于擴展功能的考慮，為了使得智慧路燈采集系統(tǒng)更容易升級，本文工控板的數(shù)據(jù)處理芯片選用Exynos442，該芯片高性能的4核處理器，32 位nm 工藝，頻率可達1.5GHz，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。Exynos442 采用雙排插針引出302 個接口。網(wǎng)絡處理芯片應用自適應DM962，通過USB 接口使其與CPU 相連，工控板如圖3 所示：

圖3 工控板結(jié)構

4 軟件設計

4.1 軟件整體架構

本文所設計的軟件整體架構基于Contiki 操作系統(tǒng)，如圖4 所示：

圖4 軟件架構

Contiki 操作系統(tǒng)屬于基于事件驅(qū)動的內(nèi)核操作系統(tǒng)，在該操作系統(tǒng)上可以使得程序靈活的加載，實現(xiàn)了protothread 線程模型。Contiki 系統(tǒng)集成uIP、Rime 網(wǎng)絡協(xié)議，采用該協(xié)議來提供API 接口。

4.2 數(shù)據(jù)采集方式

數(shù)據(jù)采集的主要功能是將數(shù)據(jù)向服務器傳輸，實現(xiàn)方式主要有數(shù)據(jù)服務查詢方式、固定周期上傳翻翻書以及C/S 方式。數(shù)據(jù)查詢方式是數(shù)據(jù)服務器向底層數(shù)據(jù)表網(wǎng)絡發(fā)送一條指令就上傳一次數(shù)據(jù)。固定上傳方式是底層數(shù)據(jù)網(wǎng)絡根據(jù)設定好的數(shù)據(jù)采集周期來上傳數(shù)據(jù)。C/S 方式是將數(shù)據(jù)服務器當做客戶端向數(shù)據(jù)采集器請求數(shù)據(jù)服務，將數(shù)據(jù)采集器用作數(shù)據(jù)服務端，根據(jù)請求數(shù)據(jù)采集指令來提供服務。

圖5 有效數(shù)據(jù)流量比測試結(jié)果

從上圖可以看出，就數(shù)據(jù)查詢方式而言，有效載荷量與有效數(shù)據(jù)量成正比，但是數(shù)據(jù)服務器每獲取一次數(shù)據(jù)都需要發(fā)送一次查詢指令，從而使得數(shù)據(jù)采集過程的通訊量增大，降低數(shù)據(jù)采集的效率。固定周期上傳方式能夠減少數(shù)據(jù)通訊量，且數(shù)據(jù)傳輸效率較高，但是其只能夠根據(jù)固定的參數(shù)來進行進行上傳，而不是根據(jù)實際的需求，因而靈活性較差。C/S 方式的數(shù)據(jù)服務器僅需要實際采集需求請求一次數(shù)據(jù)服務就能夠得到數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集效率高，使得數(shù)據(jù)采集過程的通信量進一步被壓縮，且具有較高的靈活性。鑒于此，出于在信息采集過程中通信量的降低與采集方式靈活性考慮，本文采取C/S 數(shù)據(jù)傳輸模式，流程如圖6 所示：

圖6 C/S 模式數(shù)據(jù)采集通信流程

4.3 數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

本文所設計的數(shù)據(jù)采集節(jié)點主控單元為STM32，軟件程序采用C 語言編寫，采用ARM Cortex 標準標準接口CMSIS 函數(shù)編寫，修改方便，擴展性好。數(shù)據(jù)采集模塊和路燈控制模塊采用USART串口通信，智能燈控制指令采用標準串口軟件編寫，波特值設置為19300。

4.4 工控板程序

工控板程序基于Contiki 操作系統(tǒng)，智能路燈指令的發(fā)送、讀取以及傳輸貸后是采用網(wǎng)絡接口。因而額本文彩陶的軟件程序的是socker 網(wǎng)絡編程，通過該程序來讀取智能路燈的運行參數(shù)，在對數(shù)據(jù)處理后采用sockt 程序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到服務器，程序的編寫流程如圖7 所示：

圖7 工控板軟件設計流程

服務器操作界面是基于Web 網(wǎng)絡編輯技術，以C/S 構架為基礎提供數(shù)據(jù)資源服務，以此來降低服務器端程序的開發(fā)難度，簡化用戶的操作流程，提高操作的便捷性。

5 結(jié) 語

本文設計了基于6LoWPAN 智能路路燈數(shù)據(jù)采集裝置，主要要包括基于STM32 的路燈數(shù)據(jù)采集節(jié)點、基于6IoWPAN 技術的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、基于(ortex-A9 的上控板以及基于Web 技術的服務器等功能單元的軟、硬件設計。