基于6LOWPAN协议的井下无线传感器网络优化研究与实现

摘要

随着智慧矿山建设的兴起，矿山物联网正在逐步改变煤矿井下开采的通信方式。伴随TCP/IP标准在井下骨干网中核心地位的形成，如何建立一个适用于井下数据采集的通信协议被行业学者广泛研究与讨论。基于IPv6的低速无线个域网标准（6LOWPAN）于2012年被提出，它使得井下多传感器采集使用同一标准协议成为可能。本文对井下6LOWPAN的移动节点邻居发现协议进行研究并实现。本研究主要分为三部分。 首先，针对智慧矿山的具体要求构建基本的井下6LOWPAN网络模型，并设计了该模型中用于通信的IPv6地址结构。为完成井下网络拓扑模型构建，设计了包含6LOWPAN边界路由和交替活跃-休眠节点固定节点的网格状网络；后续本文参照RFC6775标准对固定节点和6LOWPAN边界路由进行系统初始化，初始化结束后，井下骨干网中所有初始节点均不在移动。随后，本文提出一种利用修改地址注册选项的移动节点地址注册方法，该方法利用轮询问答NS和NA数据报的方式实现。 其次，对井下骨干网初始化和初始化后节点移动两个方面对节点的邻居发现进行研究。本文设计并完成完成移动节点邻居发现过程，即移动节点在移动过程中的移动性切换，结合本文所提出的网络拓扑结构，提出在移动过程中移动节点发现邻居关联节点机制。该机制针对节点在6LOWPAN域内移动和在域间移动两种情况下分别作了设计，并设计了在移动过程中IEEE802.15.4信标数据报的数据报数据格式。此外，利用NS2仿真工具，以移动速度和节点通信半径为变量，本文对移动过程中的切换延迟、丢包率和移动时的传输损耗三个方面进行仿真实验。通过本文实验结果与现有文献中移动方案的对比可知，在仿真参数相同的情况下，本文提出的方案具有更低的切换延迟、丢包率和传输损耗。 最后，依托硬件设备，设计并实现了在移动过程中节点与互联网节点的通信，制作了符合煤矿安全标准的实验样机，并完成了可靠的数据通信。本文利用搭载Contiki系统的硬件节点，实现对所提出的移动节点与井下任意节点的通信。在通信过程中，利用Wireshark、网络调试助手和串口助手抓取与分析网络通信过程中的数据报进行，得出节点在移动的情况下仍可正常通信的结果。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 研究内容与章节安排

2 6LOWPAN相关技术概述

2.1 IEEE802.15.4

2.1.1 IEEE802.15.4网络拓扑

2.1.2 IEEE802.15.4架构

2.2 IPv6协议

2.3 6LOWPAN技术

2.4 6LOWPAN适配层

2.5 邻居发现协议介绍

2.5.1 IPv6邻居发现协议

2.5.2 6LOWPAN邻居发现协议

2.5.3无状态地址配置和重复地址检测方法

2.6 本章小结

3 6LOWPAN网络模型设计和网络初始化设计

3.1 6LOWPAN网络拓扑模型

3.2 MN节点地址注册

3.3 井下 6LOWPAN 地址设计

3.4 井下地址注册选项字段

3.5 SN节点初始化过程

3.6 移动节点的地址注册过程

3.7 本章小结

4 6LOWPAN移动节点邻居发现机制

4.1 移动节点的邻居关联节点的发现

4.2 移动情况下移动节点数据报格式

4.3 MN节点移动性设计

4.3.1 MN在LOWPAN域内移动性设计（MN Mobility Design in the LOWPAN Domain）

4.3.2 MN在LOWPAN域间移动性设计（MN MobilityDesign between LOWPAN Domains）

4.4.1 设计仿真分析

4.4.2 方案对比

4.5本章小结

5 移动6LOWPAN节点通信设计与实现

5.1 通信设计

5.1.1 MN节点在域内移动时与井下骨干网Node节点通信设计

5.1.2 MN节点在域间移动时与井下骨干网Node节点的通信设计

5.1.3 活跃-休眠转换情况下的网络通信设计

5.2.1 硬件平台

5.2.2 软件环境

5.2.3样机测试

5.3 本章小结

6 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 不足与展望

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

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