0 引言

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

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)分為邊緣路由器,、閱讀器節(jié)點(diǎn),、RFID標(biāo)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(nèi)部網(wǎng)的IPv6地址,，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)是以邊緣路由器為根的簇狀網(wǎng)絡(luò)，邊緣路由器負(fù)責(zé)IPv4協(xié)議到IPv6協(xié)議的轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的匯聚和傳輸,。內(nèi)部IPv6簇狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多跳網(wǎng)絡(luò),，閱讀器節(jié)點(diǎn)可以作為中繼節(jié)點(diǎn)或者末端節(jié)點(diǎn),。閱讀器節(jié)點(diǎn)和標(biāo)簽之間的通信遵循國軍標(biāo)。用戶通過Web中間件訪問本系統(tǒng),。

2 邊緣路由器設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)和Contiki操作系統(tǒng)的移植

    邊緣路由器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示,，分為三部分：LPC4337的主處理器、以太網(wǎng)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(diǎn)和RFID標(biāo)簽三者的開發(fā)可以同時(shí)在Contiki源碼目錄下進(jìn)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(zhǔn)備啟動文件,、鏈接腳本、底層驅(qū)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(shù)據(jù)段、初始化數(shù)據(jù)段,。啟動程序?qū)⒊跏蓟瘮?shù)據(jù)段搬移到SRAM1的相應(yīng)位置,，SRAM1開始部分空間保留給棧，將未初始化數(shù)據(jù)段BSS的存儲內(nèi)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(zhuǎn)換。本系統(tǒng)使用LWIP協(xié)議棧接入外界網(wǎng)絡(luò),，Contiki協(xié)議棧運(yùn)行IPv6,，使用代理服務(wù)器的方式完成協(xié)議轉(zhuǎn)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(yīng)用。LWIP協(xié)議棧是支持以太網(wǎng)鏈路層的標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議棧,。Contiki radio duty cycle層是Contiki操作系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)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(guān)閉的,。6LoWPAN[5]適配層完成IPv6包頭的壓縮和解壓以及數(shù)據(jù)包的分片和重組,。

    應(yīng)用層的代理服務(wù)器負(fù)責(zé)協(xié)議的轉(zhuǎn)換?？蛻襞c代理服務(wù)器通過TCP連接,，代理服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)在約定的端口上使用UDP通信。用戶連接代理服務(wù)器,，使用獲取網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)命令獲取網(wǎng)絡(luò)中可達(dá)節(jié)點(diǎn)的IP地址,，隨后用戶可以發(fā)起對指定節(jié)點(diǎn)的訪問。代理服務(wù)器接收用戶帶有指定訪問節(jié)點(diǎn)IP地址的數(shù)據(jù),，根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),。用戶與代理服務(wù)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(wù)碼字段一個(gè)字節(jié),，用來表示當(dāng)前服務(wù)，不同服務(wù)期內(nèi)的命令不能交疊,；類型字段一個(gè)字節(jié),，表示當(dāng)前的命令類型，不同的命令類型會決定在傳輸?shù)刂分笫欠駭y帶附加的命令,；地址個(gè)數(shù)表示在命令擴(kuò)展部分開始有幾個(gè)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(diǎn)之間通過RPL協(xié)議組網(wǎng)，多個(gè)Contiki線程通過消息傳遞的方式相互協(xié)作構(gòu)成邊緣路由器代理服務(wù)器,。使用LWIP的raw API和lwtcpserver_process線程構(gòu)成代理服務(wù)器的數(shù)據(jù)接收和初步解析部分,。udp_server_process構(gòu)成了代理服務(wù)器的數(shù)據(jù)解析與分發(fā)部分。邊緣路由器和節(jié)點(diǎn)之間通過udp通信,，udp_server_process作為網(wǎng)絡(luò)中唯一的udp服務(wù)器運(yùn)行在邊緣路由器中。工作過程如圖7所示,。只有當(dāng)邊緣路由器和節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)完成后用戶才能通過代理服務(wù)器獲得關(guān)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的有效數(shù)據(jù),。當(dāng)udp_server_process接收到網(wǎng)絡(luò)匯聚到的數(shù)據(jù)包后，通過lwtcpserver_process將數(shù)據(jù)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(diǎn)的設(shè)計(jì)

    閱讀器節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)不需要移植Contiki系統(tǒng)。節(jié)點(diǎn)連接了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和RFID系統(tǒng),。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,，節(jié)點(diǎn)作為末端節(jié)點(diǎn)或者中繼節(jié)點(diǎn),，在RFID系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)是RFID閱讀器,，所以閱讀器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的主要工作是將RFID協(xié)議棧和Contiki協(xié)議棧進(jìn)行融合,。本系統(tǒng)中使用的RFID國軍標(biāo)協(xié)議棧，由于設(shè)備管理系統(tǒng)中涉及的管理參數(shù)較少,，系統(tǒng)中刪減了國軍標(biāo)中文件傳輸處理部分,，只保留標(biāo)簽盤點(diǎn)和基本控制參數(shù)的傳輸部分。RFID系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分就是標(biāo)簽的盤點(diǎn),，本系統(tǒng)中在將國軍標(biāo)協(xié)議棧與Contiki協(xié)議棧融合的同時(shí),，在Contiki系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)了RFID國軍標(biāo)的二進(jìn)制樹防碰撞算法和收集算法^[6]。

3.1 國軍標(biāo)協(xié)議棧和Contiki協(xié)議棧的融合

    閱讀器節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧如圖8所示,，第二層的GJB-contikirdc層一方面將數(shù)據(jù)包傳遞到上層,，另一方面在國軍標(biāo)協(xié)議沒有被觸發(fā)時(shí)運(yùn)行Contiki的duty cycle機(jī)制以降低功耗。GJBmac層完成國軍標(biāo)鏈路層的組包和解包,。GJBnetwork層根據(jù)不同類型的國軍標(biāo)協(xié)議包完成組包和上層多路轉(zhuǎn)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(yīng)用中解析,，執(zhí)行相應(yīng)的國軍標(biāo)協(xié)議動作,，喚醒標(biāo)簽或向已收集到的標(biāo)簽發(fā)送控制命令。閱讀器節(jié)點(diǎn)命令執(zhí)行的結(jié)果將會回復(fù)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(diǎn)的請求盤點(diǎn)命令和盤點(diǎn)完成之后節(jié)點(diǎn)向邊緣路由器返回的命令,。當(dāng)邊緣路由器收到用戶客戶端指令時(shí)，客戶端指令已經(jīng)封裝了完整的控制指令,。邊緣路由器只要確定目的節(jié)點(diǎn)地址,，復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)該盤點(diǎn)指令即可。當(dāng)閱讀器節(jié)點(diǎn)向邊緣路由器返回盤點(diǎn)結(jié)果時(shí),，由于協(xié)議支持的無線數(shù)據(jù)包最大只有128字節(jié),，為避免分包，盤點(diǎn)結(jié)果包中規(guī)定TAGID數(shù)目不超過4個(gè),。盤點(diǎn)結(jié)果包會多次發(fā)送,，直到剩余標(biāo)簽數(shù)為0。當(dāng)盤點(diǎn)的標(biāo)簽ID傳輸結(jié)束后,，邊緣路由器再將整合后的結(jié)果返回給用戶客戶端,。

3.2 閱讀器節(jié)點(diǎn)的工作過程 

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

    節(jié)點(diǎn)的主要工作是收到命令后執(zhí)行收集標(biāo)簽動作，這是國軍標(biāo)協(xié)議的核心,。節(jié)點(diǎn)的工作由四個(gè)線程協(xié)作完成,，分別是udp_client_process（UDP客戶端線程）、GJB_conframeprocess（國軍標(biāo)接入線程）,、GJB_collectframeprocess（國軍標(biāo)標(biāo)簽收集線程）和GJB_Revprocess（國軍標(biāo)數(shù)據(jù)分發(fā)線程）,。

    如圖10所示，當(dāng)閱讀器節(jié)點(diǎn)通過Contiki協(xié)議棧接收到命令數(shù)據(jù)時(shí),，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(shí)的數(shù)據(jù)一定是盤點(diǎn)指令,，此時(shí)向GJB_conframeprocess發(fā)送PROCESS_EVENT_CONNECT消息發(fā)起對標(biāo)簽的盤點(diǎn),。在盤點(diǎn)的過程中直接調(diào)用國軍標(biāo)協(xié)議棧的發(fā)送函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。國軍標(biāo)協(xié)議棧收到數(shù)據(jù)時(shí)向國軍標(biāo)分發(fā)線程發(fā)送PROCESS_EVENT_MSG消息,，分發(fā)線程根據(jù)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。通過盤點(diǎn),，閱讀器節(jié)點(diǎn)獲得標(biāo)簽信息生成標(biāo)簽對象,。節(jié)點(diǎn)中有標(biāo)簽對象的收集隊(duì)列和緩存隊(duì)列，當(dāng)緩存隊(duì)列為空時(shí),，收集線程將收集到的標(biāo)簽對象同時(shí)加入到收集隊(duì)列和緩存隊(duì)列中,，當(dāng)下一次啟動盤點(diǎn)時(shí)，若已經(jīng)緩存標(biāo)簽則直接從緩存隊(duì)列中獲取標(biāo)簽,。盤點(diǎn)過程結(jié)束時(shí),，收集線程向udp_client_process線程發(fā)送PROCESS_EVENT_RESPOND消息，udp服務(wù)器線程將收集隊(duì)列的標(biāo)簽信息發(fā)送出去,，并將收集隊(duì)列中的標(biāo)簽對象刷入緩存隊(duì)列中,，緩存隊(duì)列每十分鐘清空一次。

4 標(biāo)簽

    標(biāo)簽硬件使用CC2538單芯片,。標(biāo)簽的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)國軍標(biāo)協(xié)議的標(biāo)簽狀態(tài)機(jī)[6]。標(biāo)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(shè)備綁定,。當(dāng)多個(gè)閱讀器節(jié)點(diǎn)同時(shí)盤點(diǎn)標(biāo)簽時(shí)會出現(xiàn)沖突。本系統(tǒng)規(guī)定最多只有四個(gè)閱讀器節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)盤點(diǎn)標(biāo)簽,，同時(shí)工作的不同閱讀器節(jié)點(diǎn)分配不同的信道,，當(dāng)標(biāo)簽醒來監(jiān)聽就緒指令時(shí),，收到的就緒指令中指定標(biāo)簽的工作信道,，標(biāo)簽被哪個(gè)閱讀器節(jié)點(diǎn)喚醒就跳轉(zhuǎn)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(fù)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(wǎng)絡(luò)中,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要周期性地傳輸數(shù)據(jù)以維持網(wǎng)絡(luò),，并且傳輸?shù)慕M網(wǎng)數(shù)據(jù)包都大于50字節(jié)。將RFID引入到網(wǎng)絡(luò)末端,，除了標(biāo)簽每秒蘇醒1 ms監(jiān)聽,，不需要周期性的傳輸組網(wǎng)信息。標(biāo)簽的工作取決于用戶的訪問,，用戶的訪問并不是經(jīng)常發(fā)生的,。整個(gè)系統(tǒng)只有少部分節(jié)點(diǎn)需要組網(wǎng)，這就減少了一部分系統(tǒng)功耗,。

6 結(jié)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(diǎn)說明了邊緣路由器和閱讀器節(jié)點(diǎn)的工作過程,，最后介紹了標(biāo)簽和防沖突方法,。所實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模小,，對節(jié)點(diǎn)處理能力要求低,，功耗更低的特點(diǎn)。

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