6lowpan开发板调研

当前开发板:TelosB网关节点+Tmote sky传感器节点,具有温度,湿度,光强传感器。

开发板采用采用contiki操作系统下的6lowpan组网。

技术起源
加州大学伯克利分校
CPU
8MHz TI MSP430, 10KB RAM
通信芯片
CC2420
通信电波
2.4GHz无线电,250Kbps高速数据传输
MAC协议
IEEE 802.15.4 / ZigBee
外部闪存
1M Flash
天线
内置,集成在电路板内
操作系统
TinyOS 1.1或更高
写入程序
通过USB端口写入
供电
两节AA电池(5号电池)
温湿度感知部件
Sensirion Sht11
光感知部件
Hamamatsu S1087(S1087-1)
LED
3个,分别为0(Red), 1(Green), 2(Blue)

1传感器节点分类:

低性能节点:传感器节点计算能力,存储能力,传输能力相对低下,功耗低,只能够采集、传输物理标量信息。
高性能节点:传感器节点计算能力、存储能力、传输能力相对强大,但是功耗较高,能够采集、传输视频图像等信息,并进行一些本地处理。

2低性能平台:

低性能平台的主要特点在于其处理能力、存储能力、传输能力等方面有很大的限制,平台可利用的资源少。市面上常用的低性能平台主要有如下几种:
a、 Mica 系列
Mica 系列包括有 Mica、Mica2、MicaZ、IRIS 以及 Cricket,这些节点都由 memsic 公司提供(原 Crossbow 公司) 。Mica 系列节点都包括一个 8 位 AVR 处理器,频率 4-16MHz,一个128KB 可编程 flash. Mica 系列节点的处理能力、存储能力都比较相近,但是在传输信道、速率等方面有比较大差异。Mica 节点传输信道的频率包括 433MHz 和 916MHz,速率 40kbps。Mica2 节点传输信道的频率包括 315、433、868、916MHz,速率 40kbps。MicaZ 和 IRIS 节点采用 IEEE802.15.4 标准,传输信道的频率为 2.4GHz,速率 250kbps。Mica 系列的平台存储容量都十分有限 RAM 4-8KB,ROM 512KB。Cricket 节点是 Mica2 节点的一个升级版本,在Mica2 的基础上增加了超声波发送与接收装置,能够进行超声波定位。另外,Mica 系列平台采用两节 AAA 电池供电,提供 I/O 接口供用户连接外设。IRIS 节点平台相对于 MICA 产品,作用距离更长,在室外可达 500 米,速率 250kbps,基于 IEEE802.15.4/ZIGBEE 协议的 RF收发器。IRIS 可配合高性能平台组成功能强大的 WSN 系统,IRIS 主要承担数据传输任务。目前 Mica 系列由 MEMSIC 公司提供商业套件。

b、 TelosB/Tmote Sky
TelosB 和 Tmote Sky 节点平台与 Mica 系列平台的硬件架构类似,TelosB 节点是由加州大学伯克利分校研发, 授权 Crossbow 公司生产。 Tmote Sky 节点平台由 Sentilla 公司( 原 Moteiv)提供。TelosB 和 TmoteSky 使用 16 位的 TI MSP430 单片机作为微控器,主频 8MHz,拥有 10KB的 RAM。另外,TelosB 和 TmoteSky 节点平台集成了一些传感器,比如温度、湿度、光传感器等,并且使用 USB 接口与主机连接,方便编程调试。提供 6-10 个引脚供用户连接外设。在市面上,这两种节点都有卖,TelosB 节点由 MEMSIC 公司提供,Tmote Sky 节点由 Sentilla公司提供,TelosB 和 Tmote 节点平台在学术界有比较大的用户群。

c、 Eyes/EyesIFX v2
Eyes 节点平台是由一个历时三年的欧洲项目开发,其架构类似于 TelosB/TmoteSky。采用16 位微处理器,16KB 的 RAM,2KB 的 ROM,传输信道频率 868MHz,速率达到 115.2kbps。另外,Eyes 节点平台集成了加速计、温度、光、压力传感器等。使用 RS232 串口与主机相连。EyesIFX v2 由Infineon[4]开发,各方面性能与 Eyes 节点平台类似,EyeslFX v2 采用 16位 TI MSP430 单片机,传输信道 868MHz,USB 编程接口。低性能平台在 WSN 的应用系统中,通常承担简单的感知任务,其通常搭载低功耗的处理器以降低功耗,价格相对低廉。因此,在 WSN 应用中,低性能平台使用广泛。

总结&比较:低性能平台主要关注处理器类型、存储容量、无线射频芯片、通信频率、操作系统等几个参数。

3高性能节点:

高性能节点除了感知物理信息之外,还应该具有本地处理功能,多跳通信功能,大量数据传输功能等, 但是这些附加的功能是低性能平台所不能够提供的。 一些高级的操作,比如网络管理、图像视频信息传输、图像视频信息处理都要求平台拥有强大的处理器、充足的存储空间、足够的传输带宽。为了满足这些要求,研究人员开发出高性能的 WSN 平台。 目前主要有如下几种:

a、iSense
iSense 由 coalesenses 开发,提供整套的软件和硬件平台,目标是能够同时满足工业界和学术界的需求[5]。iSense 的硬件平台是由一个个功能独立的模块按需拼装而成的,包括传感模块、核心模块、电源模块。用户可以根据研究或者使用需要,购买相关模块进行组装,搭建特定的 WSN 系统。iSense 硬件平台是围绕核心模块 iSense CoreModule3 而搭建的,CoreModule3 装备一个JN5148 处理器[6],32 位 RISC,主频 16MHz,128KB 的 RAM,512KB 的 ROM,功耗方面,在工作状态下 6mA,休眠状态下 3uA,信道 2.4GHz,速率 250-667kbit/s。iSense 提供不同的电源供应模块,包括太阳能供应模块内的特定模块都很方便地与主控板连接,构成应用系统。iSense 提供与硬件配套的软件模块。iSense 软件模块集成了一系列“即时可用”的服务和协议,包括路由、时间同步、无线编程等,除了一个专有的 mesh 协议栈,还提供 Ipv4 和Ipv6 协议栈。iSense 还提供一个 SHAWN 无线传感器网络仿真平台。iSense 提供 C++ API,其开发环境是其自带的软件开发系统 iSenseOS,提供类似于操作系统的功能,但并没有支持特定的操作系统(如 linux、TinyOS 等) 。iSense 典型应用领域[7]:环境监测和预防保护(如博物馆的温湿度监测) 、工厂自动化监测和维护、供应链和资产管理监测、室内安全
监测(门、窗等) 。iSense 目前由 coalesenses 公司提供商业套件。

b、Imote/Imote2
Imote 和 Imote2 是由 Intel 公司研发的高性能无线传感器网络平台。Imote 采用 32 位 ARM7处理器,64KB SDRAM,512KB Flash。Imote2 是 Imote 的升级版本。Imoete2 集成了 PXA271Xscale CPU 和兼容 IEEE802.15.4 的射频芯片[2]。Imote2 集成的 Intel PXA271 CPU 可以工作于低功耗模式,低电压 0.85V,低频率 13MHz。Imote2 采用动态电压调节技术,频率范围可以从 13MHz 达到 416MHz, 支持多种不同的低功耗模式, 如睡眠和深度睡眠模式。 PXA271CPU集成了 3 个存储芯片:256KB SRAM,32MB SDRAM 以及 32MB Flash。Imote2 提供多种 I/O,能够灵活地支持不同种类的传感器、A/D 转换模块以及射频模块。Imote2 的 I/O 包括:I2C,2 个同步串口 SPI,3 个高速 UART,GPIOs,USB Client,USB Host,I2S 音频编码接口,红外接口,PWN 脉宽调制,摄像头接口,高速总线(Mobile Scaleable Link)接口。PXA271包括多个定时器以及时钟。此外,Imote2 还增加了 30 条新 DSP 媒体处理指令,支持视频操作,且兼容 Intel MMX 和 SSE integer 指令。无线通信方面,Imote2 使用 TI 的 CC2420 IEEE802.15.4 发射器,支持 2.4GHz 带宽 16 通道 250Kb/s 数据传输率,标准接收范围是 30米。 Imote2 能量供应部分由 3 节 AAA 电池供电, 同时也可以采用充电电池, 最大电流 500mA。软件方面,Imote2 支持 TinyOS 和 Linux 系统, (目前支持 TinyOS,其数据手册有介绍未来会支持 Linux 系统) 。典型应用领域:警用应急现场监测、工业农业监测、民用小区以及停车场监测、野外视频监测。Imote2 目前由 MEMSIC 公司提供商业套件。

c、 CMUcam3
CMUcam3 节点是由卡内基梅隆大学的 Anthony Rowe 团队于 2007 年推出的视频传感器节点。CMUcam3 节点硬件上由 CMOS 图像传感器 OV7620、存储器 AL4V8M440 和微处理器 LPC2106,共 3 个模块组成。CMUcam3 节点可以对采集到的图像进行诸如图像求差、图像卷积、图像压缩等多种数字图像处理。CMUcam3 节点支持空闲(Idle)和掉电(Power Down)两种低功耗模式。CMUcam3 节点存储容量为 64KB RAM 和 128KB ROM。CMUcam3 是开源的,市面上无商业套件。

d、 DSPcam
DSPcam 节点[11]是在 CMUcam3 节点基础上全面升级的高性能视频传感器节点。 DSPcam 节点采用模块化设计,每个模块单独制板,方便功能扩充和升级更新。DSPcam 节点的核心微处理器是 32 位的 Blackfin 系列 DSP 处理器,摄像头采用 1.3V 超低压供电的 OV9653,且带有 IEEE 802.11b/g 无线通信模块。DSPcam 节点支持 DMA 功能。DSPcam 节点嵌入µCLinux实时操作系统( Real Time Operating System, RTOS) ,并且自定义基于优先级分配、 提供 QoS保障的 MAC 层协议,可以为传输实时视频流提供实时性保障。同样 DSPcam 没有商业套件。

e、 XYZ
XYZ 节点[9]是由耶鲁大学的 Lymberopouls 团队于 2007 年推出的视频传感器节点。 XYZ 节点采用 32 位 ML67Q500X 处理器,CMOS 图像传感器 OV6720,ZIGBEE 无线收发器 CC2420 以及集成温度、湿度等标量传感器。在软件支持方面 XYZ 节点支持 SOS 操作系统,IEEE802.15.4协议。XYZ 节点是开源的目前市面上无商业套件[10]。

f、 MeshEye
斯坦福大学的 Stephan Hengstler 的团队于 2007 年提出了一种用于视频监控的智能节点设计方案MeshEye。 MeshEye 采用 32 位的 Atmel AT91SAM7S 处理器, 64KB RAM 和 256KB Flash,采用 TI 的 CC2420 芯片 Zigbee 传输协议。MeshEye 节点使用两种不同像素的摄像头。两种不同像素的摄像头配合使用,30x30 像素的低像素摄像头 ADNS-3060 只有在检测到移动场面时,才唤醒高像素的 VGA 摄像头 ADCM-2700 捕捉情景。软件支持方面,MeshEye 不支持操作系统,程序直接在裸机上面运行。目前无商业套件。

g、 WSN430/M3/A8
WSN430/M3/A8 节点平台都是开源的 WSN 硬件平台,由 IoT-LAB[13]开发提供。IoT-LAB 是一个超大规模的开放测试平台,适合小型无线传感器网络设备测试,以及异构无线传感器网络通信测试。IoT-LAB 使用两种硬件节点平台,第一种是用于感知的 WSN430 节点,第二种是用于网关及控制功能的 M3 和 A8 节点。这些节点都是开源的,在 GitHub 上面可以获得相关资料[14]。

WSN430 节点是基于低功耗处理器 TI MSP430F1611 搭建的,采用 IEEE 802.15.4 标准通信协议,信道频率为 2.4GHz。MSP430F1611 是 16 位 CPU,48KB Flash,10KB RAM,外接存储芯片 STM25P80,容量为 1MB,电源 3-7v,830mAh。WSN430 平台集成了可见光传感器以及温度传感器。软件方面支持 TinyOS、Contiki 以及 FreeRTOS 操作系统。

M3 节点基于 STM32F103REY 微控器(ARM Cortex-M3 内核)而搭建,通信采用 IEEE802.15.4标准, 2.4GHz。 STM32F103REY 微控器是 32 位 CPU,72MHz 主频, 64KB RAM, 外接 128MB 的Flash。供电 3-7v,650mAh。软件方面支持 Contiki、FreeRTOS 以及 Riot 操作系统。

A8 节点是这 IoT-LAB 功能最为强大的节点平台,支持复杂的操作系统如 Linux。A8 节点采用两个 32 的处理器,主处理器 TI SITARA AM3505(ARM Cortex-A8 内核) ,从处理器STM32F103REY。A8 节点平台可以运行复杂的程序,类似于机顶盒、智能手机及平板上面运行的程序, 用来汇集来自无线传感器网络的传感信息。 无线通信方面, A8 采用 IEEE802.15.4标准,信道 2.4GHz,提供 USB 以及以太网接口。A8 平台集成了 GPS 设备,加速计、磁强计以及陀螺仪。软件方面支持 Linux 系统。这三种节点处理器以及存储性能强大, 不足之处在于通信带宽有限制传输视频图像的能力有限。同时,这三种节点平台在市面上没有套件可买。

高性能的 WSN 平台在处理能力、存储能力以及传输能力上相比低性能平台有很大提升。高性能平台能够对于图像、视频信息进行采集、处理及传输,适用于更加细粒度、精确信息的监测应用。高性能平还有很多,比如 Cyclops[15],Panoptes[16],Meerkats[17],FireFlyMosaic[18],MicrelEye[19],CITRIC[20]等等,文献[21]对于这些平台有较为详细的描述和介绍。上述介绍的高性能平台,除了 iSense 和 Imote2 目前在市面上有商业套件之外,其余的都是研究人员专为特定的功能和应用而设计的。 这些平台主要目的是为了验证或者实现研究者的某一目标而非商业应用。因此,对于应用开发人员来说,使用这些平台的很多细节参数无法得知,市面上也没有套件销售。

比较&总结:高性能平台主要关注处理器类型、存储容量、与外设的接口、操作系统等几个参数。

 

 4应用现状及分析:

监测传输物理标量信息,比如温度、湿度、光照、加速度等信息,需要的计算复杂度不高,所占的存储空间相对较小,低性能硬件平台可以满足要求。

需要传输图像视频等数据量大、计算复杂度高的信息,则必须选择高性能平台。

在低性能硬件平台的市场供应方面,Memsic 公司(原 Crossbow 公司)占据主导地位。Memsic公司提供的 MICA 系列节点平台在 WSN 的发展过程中,使用非常广泛。很多学术研究以及工业农业应用都使用 Memsic 公司产品。 Memsic 公司产品与 WSN 的软件配套耦合程度比较好。比如,TelosB 节点,是由加州大学伯克利分校研发,授权 Memsic 公司进行商业化生产。其配套的操作系统 TinyOS,同样也是由加州大学伯克利分校研发。在近十几年中,TinyOS 成为 WSN 领域使用最为广泛的软件操作系统。由于软硬件配套,并且 TinyOS 是开源的,有强大的开发社区支持,因此 TelosB 平台在 WSN 的研究和应用系统中应用很广泛。根据调研最近三年,国际上关于 WSN 的几个重要学术会议,比如 MobiHoc、IPSN、Sensys 以及 EWSN,其中,大部分研究 WSN 相关技术,比如路由协议、MAC 协议、定位技术等,使用的硬件平台大多数是 Memsic 的 MICA 系列和 Telos 系列, 其中 TelosB 使用频次最高。由此可见,以TelosB 为代表的低性能平台在学术界有很大一群忠实用户。

高性能硬件平台应用方面,目前市场上并没有形成大规模的应用。高性能硬件平台的应用场合主要是对于低性能硬件平台所采集信息的一个扩充, 最为典型的就是提供可视化的视频图像信息,使得监控信息更加多样化,可提供更加细粒度、精准的监测应用。但同时,制约高性能硬件平台大规模应用的因素有很多,比如,高性能硬件平台的成本高,功耗大,传输带宽要求高,其能量供应,网络传输,以及系统整合等方面的技术问题并没有完全解决,限制了其应用推广。因此,目前已有的高性能硬件平台基本上都是限于实验室使用阶段。上文中介绍的高性硬件平台,除了 iSense 和 Imote2 两类有商业套件之外,其余的都只是为特定研究目的而开发的,并没有形成商业化生产。另外,一个现象就是近几年 WSN 有关的会议, 关于使用到高性能硬件平台的研究论文相对少见。

对于 WSN 的研究,包括使用低性能硬件平台和高性能硬件平台,都已经有十几年的历史。WSN的研究衍生了很多特定类别,比如无线生理传感器网络(wireless body sensor network ,WBSN 或 BSN)[22]、无线多媒体传感器网络(Wireless multimedia sensor network,简称WMSN)等等。对于 WSN 的硬件平台,由已有的资料来看,都是将近十年以前所开发的,近两三年很少有新的硬件平台被商业化生产以及推广应用。比如,著名的 WSN 硬件平台提供厂商Crossbow 公司, 在被 Memsic 公司兼并之后, 到目前为止没有再推出 WSN 相关新的硬件平台。另外,严格意义上的 WSN 研究也并没有看到大的突破。下图 展示了无线传感器网络硬件平台的一个发展史。由图示可知,WSN 硬件平台从上世纪九十年代就有产品被设计出来,到本世纪前十年,每年都有新产品诞生,但是近两三年来,并没有见到比较有代表性的相关新产品。

查到的最近几年出的开发板芯片:

cc2530:8KB的RAM256KB闪存、

cc2538:基于ARM Cortex-M3的MCU,32KB的RAM,512KB的flash闪存,IEEE802.15.4射频功能,可运行6lowpan协议,coap协议,mqtt协议,并支持Thread, ZigBee,2013年发布

cc2630:基于32-bit ARM Cortex-M3,2.4-GHz,128KB的闪存,28KB的RAM, 待机状态下电流2mA,休眠电流0.1uA,也就是每两秒唤醒一次的平均功耗是17.4uA,2节干电池供电、可达10年

cc2650:基于32-bit ARM Cortex-M3,2.4-GHz,128KB的闪存,28KB的RAM,6lowpan,Bluetooth v4.1, Zigbee

cc2652R:基于ARM Cortex-M4F,2.4-GHz,352KB的flash闪存,80KB的RAM,Thread,Bluetooth、Zigbee、2015年芯片发布

2640主要用于bluetooth应用开发

2652R用于thread应用开发

CC2538 与 TI 免费提供的 Z-Stack 软件解决方案搭配使用,可提供市场上功能最强大、最稳定的 ZigBee 解决方案。

cc2530的内核是8051的单片机、是70年代的架构,在智能家居的应用上有很多不稳定的因素,cc2630弥补了cc2530的所有缺陷,但应用到智能家居系统也有个致命的缺陷,就是cc2630不带路由功能,cc2650也不能直接作为路由和协调器

链接:https://blog.csdn.net/mzy202/article/details/53462614

总结:

2530,2538,2630,2650是目前比较火的且支持zigbee,6lowpan的开发板,2538是面向智能家居与智慧能源而推出的,高效处理、功耗低,可编程空间大,比较稳定,市场上应用较多

cc2538发布新闻稿

因此建议采用基于cc2538芯片的开发板套件

 淘宝上卖的比较多的开发板:cc2530套件,cc2538套件。

CC2530 网关开发板 

淘宝:

cc2530开发板

cc2538开发板

cc2538网关开发板---6LoWPAN IoT 网关功能(如边界路由器)用于本地 6LoWPAN 网络,从而将无线 IPv6 网络链接到互联网上的服务器。 NAT64 转换器可在 6LoWPAN IPv6 传感器网络协议和互联网上使用的 IPv4 之间进行转换。

 基于cc2538的开发套件---传感器种类比较丰富

基于6lowpan的进一步发展:thread协议

 thread协议:家庭物联网通讯协定技术Thread

Google旗下Nest Labs于2014年7月提出,是一种基于IP的无线网络协议,用来连接家里的智能产品。

产生背景:

现在比较常用的网络协议有 WiFi、蓝牙、ZigBee、Z-Wave,不过都有不足:

  WiFi的功耗比较大,适合传输大量的数据

  蓝牙功耗比较低,但现在还存在蓝牙2.0与蓝牙4.0并存的混乱局面,且不支持IPv6

  ZigBee技术比较复杂,研发成本高

  Z-Wave由丹麦公司Zensys主导,暂时还没有ZigBee联盟强大

不少大公司都在呼吁、倡导建立一个新的或者统一的新标准,这其中就包括了半导体生产商 Freescale(飞思卡尔)、混合信号器生产商 Silicon Labs。
这次三星、ARM、Nest 三家公司,强强联手,推出Thread, 改进了上述协议中的不足,通过 6LoWPAN 技术支持 IPv6 。Thread 可支持 250 个以上设备同时联网,能够覆盖到家中所有的灯泡、开关、传感器和智能设备。优化了功耗,超低能耗,设备可以运行数年。此外,Thread 是基于 ZigBee 的,也就是说原有的 ZigBee 设备只需更新软件即可兼容 Thread。综合来看,Thread 很可能像 Homekit、高通的 开源框架 AllJoyn 一样,是一种在顶层工作的顶层架构。
2016年,Nest Labs开源了OpenThread,这是基于其Thread协议实现的,通过6LoWPAN标准连接的智能家居网络。

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转载自www.cnblogs.com/xfvipp/p/8882866.html