0 引言

    隨著物聯(lián)網技術的不斷發(fā)展,，物聯(lián)網成為了繼互聯(lián)網之后網絡技術發(fā)展的又一次高潮，物聯(lián)網技術正在實現網絡技術的最后一公里——人與物的連接、物與物的連接,。在物聯(lián)網發(fā)展的技術框架下又有WSN和RFID兩種主要技術,，并出現了許多將這兩種技術融合的方式^[1]，通過結合兩種技術的優(yōu)點,，可以提高融合系統(tǒng)在特定應用下的功能^[2],。在眾多應用領域中，實現人對大量物品管理和監(jiān)測是非常重要的一種應用需求,。本文采用WSN節(jié)點和RFID閱讀器融合的方式^[1]實現了一種設備管理系統(tǒng),，將Contiki無線傳感器網絡協(xié)議棧和國家軍用2.45G空中接口協(xié)議^[6]（國軍標）相融合，實現了具有RFID標簽收集功能的網絡節(jié)點,，以及基于LWIP和Contiki操作系統(tǒng)的邊緣路由器和基于國軍標的RFID標簽,。

1 系統(tǒng)總體設計

    該系統(tǒng)分為邊緣路由器、閱讀器節(jié)點,、RFID標簽三大部分,，如圖1所示。

    邊緣路由器有自己對外的IPv4地址和對內部網的IPv6地址,，內部網絡是以邊緣路由器為根的簇狀網絡,，邊緣路由器負責IPv4協(xié)議到IPv6協(xié)議的轉換以及數據的匯聚和傳輸。內部IPv6簇狀網絡是一個多跳網絡,，閱讀器節(jié)點可以作為中繼節(jié)點或者末端節(jié)點,。閱讀器節(jié)點和標簽之間的通信遵循國軍標。用戶通過Web中間件訪問本系統(tǒng),。

2 邊緣路由器設計

2.1 硬件設計和Contiki操作系統(tǒng)的移植

    邊緣路由器硬件結構如圖2所示,，分為三部分：LPC4337的主處理器、以太網控制器和支持802.15.4的CC2520射頻模塊,。本系統(tǒng)使用eclipse和gcc編譯器搭建的開發(fā)環(huán)境，邊緣路由器,、閱讀器節(jié)點和RFID標簽三者的開發(fā)可以同時在Contiki源碼目錄下進行,。由于LPC4337處理器并沒有得到Contiki系統(tǒng)的支持，所以必須將Contiki系統(tǒng)移植到邊緣路由器平臺,。Contiki系統(tǒng)組成如圖3,。

    Contiki系統(tǒng)移植^[4]需要準備啟動文件、鏈接腳本,、底層驅動庫文件和用于工程管理的makefile文件,。圖4所示為移植系統(tǒng)的存儲布局。在FLASH中,，從開始依次是中斷向量表,、代碼段、只讀數據段、初始化數據段,。啟動程序將初始化數據段搬移到SRAM1的相應位置,，SRAM1開始部分空間保留給棧，將未初始化數據段BSS的存儲內容清0,。所有程序段的起始地址在鏈接腳本中指定,。

2.2 LWIP協(xié)議棧和Contiki協(xié)議棧的融合

    邊緣路由器的主要功能是完成IPv4到IPv6的協(xié)議轉換。本系統(tǒng)使用LWIP協(xié)議棧接入外界網絡,，Contiki協(xié)議棧運行IPv6,，使用代理服務器的方式完成協(xié)議轉換。

    圖5所示為邊緣路由器協(xié)議棧,，右邊部分為Contiki協(xié)議棧,，左邊部分為LWIP協(xié)議棧。Contiki協(xié)議棧的組成由下往上依次為802.15.4射頻物理層,、Contiki radio duty cycle層,、802.15.4鏈路層、6LoWPAN適配層,、IP層（IPv6）,、TCP/UDP/ICMPv6層，最后是上層基于ICMPv6的RPL路由協(xié)議和其他應用,。LWIP協(xié)議棧是支持以太網鏈路層的標準TCP/IP協(xié)議棧,。Contiki radio duty cycle層是Contiki操作系統(tǒng)中為了實現節(jié)點的低功耗而加入的一層，由于邊緣路由器需要較高的處理能力并且是電源供電,，所以邊緣路由器協(xié)議中的這一層是關閉的,。6LoWPAN[5]適配層完成IPv6包頭的壓縮和解壓以及數據包的分片和重組。

    應用層的代理服務器負責協(xié)議的轉換,?？蛻襞c代理服務器通過TCP連接，代理服務器與網絡中的節(jié)點在約定的端口上使用UDP通信,。用戶連接代理服務器,，使用獲取網絡節(jié)點命令獲取網絡中可達節(jié)點的IP地址，隨后用戶可以發(fā)起對指定節(jié)點的訪問,。代理服務器接收用戶帶有指定訪問節(jié)點IP地址的數據,，根據目的節(jié)點地址進行數據的轉發(fā)。用戶與代理服務器使用本系統(tǒng)定義的命令格式,。如圖6所示命令格式,，服務碼字段一個字節(jié)，用來表示當前服務,，不同服務期內的命令不能交疊,；類型字段一個字節(jié),，表示當前的命令類型，不同的命令類型會決定在傳輸地址之后是否攜帶附加的命令,；地址個數表示在命令擴展部分開始有幾個地址,。

2.3 邊緣路由器的工作過程

    邊緣路由器和閱讀器節(jié)點之間通過RPL協(xié)議組網，多個Contiki線程通過消息傳遞的方式相互協(xié)作構成邊緣路由器代理服務器,。使用LWIP的raw API和lwtcpserver_process線程構成代理服務器的數據接收和初步解析部分,。udp_server_process構成了代理服務器的數據解析與分發(fā)部分。邊緣路由器和節(jié)點之間通過udp通信,，udp_server_process作為網絡中唯一的udp服務器運行在邊緣路由器中,。工作過程如圖7所示。只有當邊緣路由器和節(jié)點組網完成后用戶才能通過代理服務器獲得關于網絡節(jié)點的有效數據,。當udp_server_process接收到網絡匯聚到的數據包后,，通過lwtcpserver_process將數據返回給訪問客戶端。lwip_process線程用來維持LWIP的正常工作,。

3 閱讀器節(jié)點的設計

    閱讀器節(jié)點硬件使用CC2538 SOC芯片,，更方便電池供電和安裝部署。Contiki提供了對CC2538的支持,，所以設計節(jié)點時不需要移植Contiki系統(tǒng),。節(jié)點連接了無線傳感器網絡和RFID系統(tǒng)。在無線傳感器網絡系統(tǒng)中,，節(jié)點作為末端節(jié)點或者中繼節(jié)點,，在RFID系統(tǒng)中，節(jié)點是RFID閱讀器,，所以閱讀器節(jié)點設計的主要工作是將RFID協(xié)議棧和Contiki協(xié)議棧進行融合,。本系統(tǒng)中使用的RFID國軍標協(xié)議棧，由于設備管理系統(tǒng)中涉及的管理參數較少,，系統(tǒng)中刪減了國軍標中文件傳輸處理部分,，只保留標簽盤點和基本控制參數的傳輸部分。RFID系統(tǒng)最關鍵的部分就是標簽的盤點,，本系統(tǒng)中在將國軍標協(xié)議棧與Contiki協(xié)議棧融合的同時,，在Contiki系統(tǒng)下實現了RFID國軍標的二進制樹防碰撞算法和收集算法^[6]。

3.1 國軍標協(xié)議棧和Contiki協(xié)議棧的融合

    閱讀器節(jié)點協(xié)議棧如圖8所示,，第二層的GJB-contikirdc層一方面將數據包傳遞到上層，另一方面在國軍標協(xié)議沒有被觸發(fā)時運行Contiki的duty cycle機制以降低功耗,。GJBmac層完成國軍標鏈路層的組包和解包,。GJBnetwork層根據不同類型的國軍標協(xié)議包完成組包和上層多路轉發(fā)。由邊緣路由器發(fā)來的閱讀器控制命令通過Contiki協(xié)議棧,，在上層應用中解析,，執(zhí)行相應的國軍標協(xié)議動作,，喚醒標簽或向已收集到的標簽發(fā)送控制命令。閱讀器節(jié)點命令執(zhí)行的結果將會回復給邊緣路由器,。

    圖9所示為邊緣路由器發(fā)給閱讀器節(jié)點的請求盤點命令和盤點完成之后節(jié)點向邊緣路由器返回的命令,。當邊緣路由器收到用戶客戶端指令時，客戶端指令已經封裝了完整的控制指令,。邊緣路由器只要確定目的節(jié)點地址,，復制轉發(fā)該盤點指令即可。當閱讀器節(jié)點向邊緣路由器返回盤點結果時,，由于協(xié)議支持的無線數據包最大只有128字節(jié),，為避免分包，盤點結果包中規(guī)定TAGID數目不超過4個,。盤點結果包會多次發(fā)送,，直到剩余標簽數為0。當盤點的標簽ID傳輸結束后,，邊緣路由器再將整合后的結果返回給用戶客戶端,。

3.2 閱讀器節(jié)點的工作過程 

    閱讀器節(jié)點和邊緣路由器之間使用Contiki協(xié)議棧通過UDP通信。節(jié)點和邊緣路由器在系統(tǒng)初始化時綁定指定端口,，在系統(tǒng)通過RPL協(xié)議組網完成之后,，通信就能夠開始。

    節(jié)點的主要工作是收到命令后執(zhí)行收集標簽動作,，這是國軍標協(xié)議的核心,。節(jié)點的工作由四個線程協(xié)作完成，分別是udp_client_process（UDP客戶端線程）,、GJB_conframeprocess（國軍標接入線程）,、GJB_collectframeprocess（國軍標標簽收集線程）和GJB_Revprocess（國軍標數據分發(fā)線程）。

    如圖10所示,，當閱讀器節(jié)點通過Contiki協(xié)議棧接收到命令數據時,，向udp_client_process發(fā)送TCPIP_EVENT消息，該線程接收到消息執(zhí)行指定的動作（主要功能在這里完成）,。開始時的數據一定是盤點指令,，此時向GJB_conframeprocess發(fā)送PROCESS_EVENT_CONNECT消息發(fā)起對標簽的盤點。在盤點的過程中直接調用國軍標協(xié)議棧的發(fā)送函數發(fā)送數據,。國軍標協(xié)議棧收到數據時向國軍標分發(fā)線程發(fā)送PROCESS_EVENT_MSG消息,，分發(fā)線程根據數據包的類型決定向接入線程或收集線程發(fā)送RPOCESS_EVENT_MSG消息。接入線程和收集線程就是以上述方式接收數據,。通過盤點,，閱讀器節(jié)點獲得標簽信息生成標簽對象。節(jié)點中有標簽對象的收集隊列和緩存隊列,，當緩存隊列為空時,，收集線程將收集到的標簽對象同時加入到收集隊列和緩存隊列中,，當下一次啟動盤點時，若已經緩存標簽則直接從緩存隊列中獲取標簽,。盤點過程結束時,，收集線程向udp_client_process線程發(fā)送PROCESS_EVENT_RESPOND消息，udp服務器線程將收集隊列的標簽信息發(fā)送出去,，并將收集隊列中的標簽對象刷入緩存隊列中,，緩存隊列每十分鐘清空一次。

4 標簽

    標簽硬件使用CC2538單芯片,。標簽的設計是將Contiki協(xié)議棧完全替換為只有解包組包功能的一層,，在其上實現國軍標協(xié)議的標簽狀態(tài)機[6]。標簽有唯一的64位ID號,，該ID在部署系統(tǒng)前需要與所管理的設備綁定,。當多個閱讀器節(jié)點同時盤點標簽時會出現沖突。本系統(tǒng)規(guī)定最多只有四個閱讀器節(jié)點可以同時盤點標簽,，同時工作的不同閱讀器節(jié)點分配不同的信道,，當標簽醒來監(jiān)聽就緒指令時，收到的就緒指令中指定標簽的工作信道,，標簽被哪個閱讀器節(jié)點喚醒就跳轉到該閱讀器指定的工作信道中繼續(xù)工作,，工作完成后恢復到原來的監(jiān)聽信道。

5 系統(tǒng)測試

    在單純的無線傳感器網絡中,，每個節(jié)點需要周期性地傳輸數據以維持網絡,，并且傳輸的組網數據包都大于50字節(jié)。將RFID引入到網絡末端,，除了標簽每秒蘇醒1 ms監(jiān)聽,，不需要周期性的傳輸組網信息。標簽的工作取決于用戶的訪問,，用戶的訪問并不是經常發(fā)生的,。整個系統(tǒng)只有少部分節(jié)點需要組網，這就減少了一部分系統(tǒng)功耗,。

6 結論

    本文介紹了Contiki操作系統(tǒng)和有源RFID的融合過程,，移植了Contiki系統(tǒng)到邊緣路由器平臺，重點說明了邊緣路由器和閱讀器節(jié)點的工作過程,，最后介紹了標簽和防沖突方法,。所實現的系統(tǒng)具有拓撲結構簡單，網絡規(guī)模小,，對節(jié)點處理能力要求低,，功耗更低的特點。

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