基于 IPv6 的物联网架构与技术应用

基于IPv6的物联网架构与技术应用 交通物联网应用技术

教学目的 • 介绍智能物件的概念与IPv6协议架构 • 掌握用于智能物件网络和物联网的IPv6协议，智能物件的通信机制和标准化 • 了解基于IPv6的智能物件在智能电网、城市交通等应用领域特点和挑战。

智能物件与IPv6协议架构 • 智能物件 • 从技术角度讲，智能物件可以定义为：智能物件是装备了传感器或制动器、微处理器、通信装置和电源的设备。 • 传感器或制动器赋予了智能物件与现实世界的交互能力。微处理器保证智能物件，即是在有限的速度和复杂度上，也能够对传感器捕获的数据进行转换。通信装置使得智能物件能够将其读取的数据传输给外界，并接收来自其他智能物件的数据。电源为智能物件提供工作所需的电力。

智能物件与IPv6协议架构 • IPv6协议架构 • IPv6是IETF（互联网工程任务组，Internet Engineering Task Force）设计的用于替代现行版本IP协议（IPv4）的下一代IP协议。IPv6是为了解决IPv4所存在的一些问题和不足而提出的，同时它还在许多方面提出了改进，例如路由方面、自动配置方面。经过一个较长的IPv4和IPv6共存的时期，IPv6最终会完全取代IPv4在互连网上占据统治地位。

智能物件的通讯与标准 • 智能物件的硬件和软件 • 硬件 • 通信设备 • 微控制器 • 传感器或制动器 • 电源 • 智能物件的操作系统 • Contiki • TinyOS • FreeRTOS

智能物件的通讯与标准 • 智能物件的通信机制 • 一对一通信模式指一个智能物件与另一个智能物件进行端到端的通信 • 一对多通信模式是指一个节点向多个其他节点，也可以是向一个网络中的所有其他节点发送消息 • 多对一通信模式多用于从智能物件网络节点搜集数据。在多对一通信模式中，多个节点向一个节点发送数据，这个节点通常被称为汇聚节点

智能物件的通讯与标准 • 智能物件的标准化 • IETF工作组 • 6LoWPAN工作组 • ROLL工作组

物联网架构中的IPv6技术 • 智能物件中使用IPv6 • 一个DHCP服务器拥有一个IP地址池，主机从DHCP服务器申请IP地址并获得有关的配置信息（如缺省网关、DNS服务器等），由此达到自动设置主机IP地址的目的

物联网架构中的IPv6技术 • IPv6网络中的的RPL路由 • IETF RoLL（Routing over Lossy and Low-power Networks）工作组于2008年2月成立，属于IETF路由领域的工作组，致力于制定低功耗网络中IPv6路由协议的规范。 • 在路由需求、链路选择定量指标等工作的基础上，RoLL工作组研究制定了RPL（Routing Protocol for LLN）协议。RPL协议目前是一个工作组文稿（draft-ietf-roll-rpl），已经更新到第19版本。

物联网架构中的IPv6技术 • 6LoWPAN适配层 • IETF 6LoWPAN工作组的任务是定义在如何利用IEEE 802.15.4链路支持基于IP的通信的同时，遵守开放标准以及保证与其他IP设备的互操作性 • 随着通信任务变得更加复杂，6LoWPAN也相应调整。为了与嵌入式网络之外的设备通信，6LoWPAN增加了更大的IP地址。

物联网架构中的IPv6技术 • uIP-轻量级的IP协议栈 • uIP 由瑞典计算机科学学院(网络嵌入式系统小组)的Adam Dunkels 开发。其源代码由C 语言编写，并完全公开。 • uIP 协议栈去掉了完整的 TCP/IP 中不常用的功能，简化了通讯流程，但保留了网络通信必须使用的协议，设计重点放在了 IP/TCP/ICMP/UDP/ARP 这些网络层和传输层协议上，保证了其代码的通用性和结构的稳定性。

嵌入式ContikiOS与Cygwin开发环境 • 轻量级ContikiOS系统简介 • Contiki是一个开源多任务事件驱动操作系统，为网络嵌入式设备设计。 • Contiki集成了数个独立的模块，在一个事件驱动的类线程多任务的环境中，包含了protothread library、uIP TCP/IP(v4和v6)协议栈、无线传感器网络的协议套件—Rime协议栈。 • Contiki适用于只有极少量内存的嵌入式系统。只需几Kbyte的代码和几百字节的内存就能提供多任务环境和内建TCP/IP支持。

嵌入式ContikiOS与Cygwin开发环境 • ContikiOS系统特点 • 多任务内核　　 • 每个应用程序中可选的先占式多线程　　 • Protothreads模型　　 • TCP/IP网络支持，包括IPv6 • 视窗系统与GUI • 基于VNC的网络化远程显示　　 • 网页浏览器　　 • 个人网络服务器　　 • 简单的Telnet客户端

嵌入式ContikiOS与Cygwin开发环境 • Cygwin开发环境介绍 • Cygwin是许多自由软件的集合，最初由Cygnus Solutions开发，用于各种版本的Microsoft Windows上，运行UNIX类系统。 • Cygwin包括了一套库，该库在Win32系统下实现了POSIX系统调用的API；还有一套GNU开发工具集（比如GCC、GDB），这样可以进行简单的软件开发；还有一些UNIX系统下的常见程序。 • Cygwin环境下安装contiki操作系统，需要额外借助IAR4ARM的编译工具。

嵌入式ContikiOS与Cygwin开发环境 • 基于Cygwin环境移植ContikiOS • core • cpu • platform • apps • examples • doc • tools

基于IPv6技术的无线网络通讯实验 • ContikiOS系统线程任务应用实验 • 基于IPv6的点对点通讯实验 • 基于IPv6的点对多点通讯实验 • 物联网智能交通系统之道路视频监控实训

思考题 • 什么是智能物件？ • 智能物件有哪些通讯机制和标准？ • IPv6技术的特点？ • contikiOS系统的特点？ • 举例基于IPv6智能物件的典型应用(智能电网、交通运输、工业自动化)？

思考题 • 物联网信息感知层技术如何分类？ • 常见传感器的分类？ • 什么是电阻式传感器的压阻效应与压阻系数？ • 数字型温湿度传感器的补偿算法如何实现？ • 智能传感器有哪些特点？

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