Contiki ve aktif RFID'ye dayalı bir cihaz yönetim sisteminin "Akademik Belge" uygulaması
Özet:
Contiki'ye dayalı olarak, sistem aktif bir RFID okuyucu düğümü ve aynı zamanda bir uç yönlendirici uygular.Kenar yönlendirici ve okuyucu düğümü bir kablosuz sensör ağı oluşturabilir. Kullanıcı, ekipmanın yönetimini gerçekleştirmek için ağ üzerinden RFID etiketlerini toplamak ve yönetmek için okuyucu düğümünü kontrol eder. Bu sistem, çok çeşitli kablosuz sensör ağlarının avantajlarını korur ve aktif RFID teknolojisini birleştirerek ağ karmaşıklığını ve sistem güç tüketimini azaltır. Sistem kararlı bir şekilde çalışır ve daha geniş bir aralıkta ekipman yönetimi için uygundur.
Çince alıntı biçimi: Dong Kun, Chen Bo, Zhao Zhongquan Contiki ve aktif RFID'ye dayalı bir cihaz yönetim sisteminin uygulanması. Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2016, 42 (3): 57-60.
İngilizce alıntı biçimi: Dong Kun, Chen Bo, Zhao Zhongquan.Contiki OS ve aktif RFID tabanlı ekipman yönetim sisteminin uygulanması.Elektronik Tekniğin Uygulanması, 2016, 42 (3): 57-60.
0 Önsöz
Nesnelerin İnterneti teknolojisinin sürekli gelişmesiyle, Nesnelerin İnterneti, İnternetten sonra ağ teknolojisinin gelişiminde bir başka doruk noktası haline geldi.Nesnelerin İnterneti teknolojisi, ağ teknolojisinin son aşamasını - insanlar ve nesneler arasındaki bağlantı ve nesneler ve şeyler arasındaki bağlantı - gerçekleştiriyor. Nesnelerin İnternetinin geliştirilmesinin teknolojik çerçevesi altında, iki ana teknoloji vardır, WSN ve RFID ve bu iki teknolojiyi birleştirmenin birçok yolu ortaya çıkmıştır.İki teknolojinin avantajlarını birleştirerek, füzyon sisteminin belirli uygulamalardaki işlevleri iyileştirilebilir. Birçok uygulama alanında, insan yönetiminin gerçekleştirilmesi ve çok sayıda öğenin izlenmesi çok önemli bir uygulama gerekliliğidir. Bu belge, bir RFID etiket toplama işlevi elde etmek için Contiki kablosuz sensör ağ protokol yığınını ve ulusal askeri 2.45G hava arayüz protokolünü (ulusal askeri standart) entegre eden bir cihaz yönetim sistemini uygulamak için WSN düğümleri ve RFID okuyucularının birleşimini kullanır. Ağ düğümlerinin yanı sıra LWIP ve Contiki işletim sistemlerine ve ulusal askeri standartlara dayalı RFID etiketlerine dayanan uç yönlendiriciler.
1 Sistemin genel tasarımı
Sistem üç bölüme ayrılmıştır: Şekil 1'de gösterildiği gibi kenar yönlendiricileri, okuyucu düğümleri ve RFID etiketleri.
Uç yönlendiricinin kendi harici IPv4 adresi ve dahili ağa bir IPv6 adresi vardır. Dahili ağ, kök yönlendiriciye dayanan kümelenmiş bir ağdır. Kenar yönlendiricisi, IPv4 protokolünden IPv6 protokolüne dönüşümden ve verilerin toplanmasından ve iletilmesinden sorumludur. Dahili IPv6 kümelenmiş ağ, çok sekmeli bir ağdır ve okuyucu düğümleri, röle düğümleri veya uç düğümleri olarak kullanılabilir. Okuyucu düğümü ile etiket arasındaki iletişim, ulusal askeri standardı izler. Kullanıcılar sisteme Web ara yazılımları aracılığıyla erişirler.
2 Kenar yönlendirici tasarımı
2.1 Contiki işletim sisteminin donanım tasarımı ve taşınması
Kenar yönlendiricinin donanım yapısı, üç bölüme ayrılmış Şekil 2'de gösterilmiştir: LPC4337'nin ana işlemcisi, Ethernet denetleyicisi ve 802.15.4'ü destekleyen CC2520 radyo frekansı modülü. Bu sistem, eclipse ve gcc derleyicisi tarafından oluşturulan geliştirme ortamını kullanır.Kenar yönlendiriciler, okuyucu düğümleri ve RFID etiketlerinin geliştirilmesi Contiki kaynak kod dizini içerisinde aynı anda gerçekleştirilebilir. LPC4337 işlemci Contiki sistemi tarafından desteklenmediğinden, Contiki sistemi edge router platformuna taşınmalıdır. Contiki sisteminin bileşimi Şekil 3'te gösterilmektedir.
Contiki sistem geçişi, proje yönetimi için başlangıç dosyalarının, bağlantı komut dosyalarının, temeldeki sürücü kitaplık dosyalarının ve makefile dosyalarının hazırlanmasını gerektirir. Şekil 4, transplantasyon sisteminin depolama düzenini göstermektedir. FLASH'da, kesme vektör tablosu, kod bölümü, salt okunur veri bölümü ve başlatma veri bölümü baştan itibaren sıradadır. Başlangıç programı, başlatılmış veri bölümünü SRAM1'in karşılık gelen konumuna taşır, SRAM1'in başlangıcı yığın için ayrılmıştır ve başlatılmamış veri bölümü BSS'nin depolama içeriği 0 olarak temizlenir. Tüm blokların başlangıç adresleri bağlantı komut dosyasında belirtilir.
2.2 LWIP protokol yığını ve Contiki protokol yığını entegrasyonu
Edge yönlendiricinin ana işlevi, IPv4'ten IPv6'ya protokol dönüşümünü tamamlamaktır. Bu sistem, harici ağa erişmek için LWIP protokol yığınını kullanır, Contiki protokol yığını IPv6'yı çalıştırır ve protokol dönüşümünü tamamlamak için bir proxy sunucusu kullanır.
Şekil 5, kenar yönlendirici protokol yığınını gösterir, sağ kısım Contiki protokol yığınını ve sol kısım LWIP protokol yığınını gösterir. Contiki protokol yığınının alttan üste bileşimi 802.15.4 radyo frekansı fiziksel katmanı, Contiki radyo görev döngüsü katmanı, 802.15.4 bağlantı katmanı, 6LoWPAN adaptasyon katmanı, IP katmanı (IPv6), TCP / UDP / ICMPv6 katmanı ve son olarak Üst RPL yönlendirme protokolü ve ICMPv6 tabanlı diğer uygulamalardır. LWIP protokol yığını, Ethernet bağlantı katmanını destekleyen standart bir TCP / IP protokol yığınıdır. Contiki radyo görev döngüsü katmanı, düğümlerin düşük güç tüketimini sağlamak için Contiki işletim sistemine eklenen bir katmandır.Kenar yönlendiriciler daha yüksek işleme kabiliyetleri gerektirdiğinden ve güçle beslendiğinden, kenar yönlendirici protokolündeki bu katman kapatılır. 6LoWPAN adaptasyon katmanı, IPv6 paket başlığının sıkıştırılmasını ve açılmasını ve veri paketinin parçalanmasını ve yeniden birleştirilmesini tamamlar.
Uygulama katmanındaki proxy sunucusu, protokol dönüşümünden sorumludur. İstemci ve proxy sunucusu TCP aracılığıyla bağlanır ve proxy sunucusu, kararlaştırılan bağlantı noktasında UDP kullanarak ağdaki düğümlerle iletişim kurar. Kullanıcı proxy sunucusuna bağlanır, ağdaki erişilebilir düğümün IP adresini almak için Ağ Düğümünü Al komutunu kullanır ve ardından kullanıcı, belirtilen düğüme erişimi başlatabilir. Proxy sunucusu, belirlenen erişim düğümü IP adresi ile kullanıcı verilerini alır ve verileri hedef düğüm adresine göre iletir. Kullanıcı ve proxy sunucusu, sistem tarafından tanımlanan komut formatını kullanır. Komut formatı Şekil 6'da gösterilmiştir, servis kodu alanı, mevcut servisi belirtmek için kullanılan bir bayttır.Farklı servis dönemlerindeki komutlar üst üste gelemez; tip alanı, mevcut komut tipini gösteren bir bayttır ve farklı komut tipleri belirlenecektir. Gönderim adresinden sonra ek komutlar taşıyıp taşımama; adres sayısı, komut uzantısı kısmının başında kaç adres olduğunu gösterir.
2.3 Edge Router'ın Çalışma Süreci
Uç yönlendirici ve okuyucu düğümleri, RPL protokolü aracılığıyla ağa bağlanır ve çok sayıda Contiki iş parçacığı, bir uç yönlendirici proxy sunucusu oluşturmak için mesaj iletimi yoluyla birbirleriyle işbirliği yapar. Proxy sunucusunun veri alma ve ön analiz bölümünü oluşturmak için LWIP'in ham API'sini ve lwtcpserver_process iş parçacığını kullanın. Udp_server_process, proxy sunucusunun veri analizi ve dağıtım kısmını oluşturur. Uç yönlendirici ve düğüm udp aracılığıyla iletişim kurar ve udp_server_process ağdaki tek udp sunucusu olarak uç yönlendiricide çalışır. Çalışma süreci Şekil 7'de gösterilmektedir. Yalnızca uç yönlendirici ve düğüm ağı tamamlandıktan sonra, kullanıcı proxy sunucusu aracılığıyla ağ düğümü hakkında geçerli verileri elde edebilir. Udp_server_process ağ tarafından toplanan veri paketlerini aldığında, verileri lwtcpserver_process aracılığıyla erişim istemcisine döndürür. Lwip_process evresi, LWIP'in normal çalışmasını sürdürmek için kullanılır.
3 Okuyucu düğümünün tasarımı
Okuyucu düğümü donanımı, pil güç kaynağı ve kurulum ve dağıtım için daha uygun olan CC2538 SOC yongasını kullanır. Contiki, CC2538 için destek sağlar, bu nedenle düğümleri tasarlarken Contiki sistemini nakletmeye gerek yoktur. Düğüm, kablosuz sensör ağını ve RFID sistemini birbirine bağlar. Kablosuz sensör ağ sisteminde, düğüm bir uç düğüm veya bir röle düğümü olarak hareket eder.RFID sisteminde düğüm bir RFID okuyucudur, bu nedenle okuyucu düğüm tasarımının ana işi RFID protokol yığınını ve Contiki protokol yığınını entegre etmektir. Bu sistemde kullanılan RFID ulusal askeri standart protokol yığını, ekipman yönetim sistemine dahil olan daha az yönetim parametresine sahiptir, bu nedenle ulusal askeri standardın dosya aktarım işleme kısmı sistemden silinir ve etiket envanterinin yalnızca iletim kısmı ve temel kontrol parametreleri korunur. RFID sisteminin en kritik kısmı etiketlerin envanteridir.Bu sistemde ulusal askeri standart protokol yığını Contiki protokol yığını ile entegre edilirken, RFID ulusal askeri standart ikili ağaç çarpışma önleme algoritması ve toplama algoritması Contiki sistemi altında uygulanmaktadır.
3.1 Ulusal Askeri Standart Protokol Yığını ve Contiki Protokol Yığını Entegrasyonu
Okuyucu düğüm protokol yığını Şekil 8'de gösterilmektedir. İkinci katmanın GJB-contikirdc katmanı, veri paketlerini bir yandan üst katmana iletir ve ulusal askeri standart protokolü tetiklenmediğinde güç tüketimini azaltmak için Contiki'nin görev döngüsü mekanizmasını çalıştırır. . GJBmac katmanı, ulusal askeri standart bağlantı katmanının paketlenmesini ve paketinden çıkarılmasını tamamlar. GJBnetwork katmanı, farklı ulusal askeri standart protokol paketlerine göre paket gruplamayı ve üst katman çok kanallı iletmeyi tamamlar. Kenar yönlendirici tarafından gönderilen okuyucu kontrol komutu Contiki protokol yığınından geçer, üst uygulamada ayrıştırır, karşılık gelen ulusal askeri standart protokol eylemini yürütür, etiketleri uyandırır veya toplanan etiketlere kontrol komutları gönderir. Okuyucu düğümünün komut yürütmesinin sonucu, uç yönlendiriciye geri gönderilecektir.
Şekil 9, uç yönlendirici tarafından okuyucu düğümüne gönderilen envanter talebi komutunu ve envanter tamamlandıktan sonra düğüm tarafından uç yönlendiriciye döndürülen komutu göstermektedir. Uç yönlendirici, kullanıcı istemci talimatını aldığında, müşteri talimatı tam kontrol talimatını kapsamaktadır. Kenar yönlendiricinin yalnızca hedef düğüm adresini belirlemesi ve envanter talimatını kopyalayıp iletmesi gerekir. Okuyucu düğümü envanter sonucunu uç yönlendiriciye döndürdüğünde, protokol tarafından desteklenen maksimum kablosuz veri paketi yalnızca 128 bayt olduğundan, alt paketlemeden kaçınmak için envanter sonuç paketinde belirtilen TAGID sayısı 4'ü geçmemelidir. Envanter sonuç paketi, kalan etiketlerin sayısı 0 olana kadar birden çok kez gönderilecektir. Etiket kimliğinin envanterinin iletimi tamamlandıktan sonra, uç yönlendirici entegre sonucu kullanıcı istemcisine geri gönderir.
3.2 Okuyucu düğümünün çalışma süreci
Contiki protokol yığını, okuyucu düğümü ile uç yönlendirici arasında UDP aracılığıyla iletişim kurmak için kullanılır. Düğümler ve uç yönlendiriciler, sistem başlatıldığında belirlenen bağlantı noktalarına bağlanır Sistem RPL protokolü aracılığıyla ağa bağlandıktan sonra, iletişim başlayabilir.
Düğümün ana görevi, Ulusal Askeri Standartlar Protokolünün özü olan komutu aldıktan sonra etiketlerin toplanmasını gerçekleştirmektir. Düğümün çalışması, udp_client_process (UDP istemci iş parçacığı), GJB_conframeprocess (ulusal askeri standart erişim iş parçacığı), GJB_collectframeprocess (ulusal askeri standart etiket toplama iş parçacığı) ve GJB_Revprocess (ulusal askeri standart veri dağıtım dizisi) olmak üzere dört iş parçacığı tarafından koordine edilir.
Şekil 10'da gösterildiği gibi, okuyucu düğümü komut verilerini Contiki protokol yığını aracılığıyla aldığında, udp_client_process'e bir TCPIP_EVENT mesajı gönderir ve iş parçacığı, belirtilen eylemi gerçekleştirmek için mesajı alır (ana işlev burada tamamlanır). Başlangıçtaki veriler bir envanter talimatı olmalıdır Bu zamanda, bir etiket envanterini başlatmak için GJB_conframeprocess'e bir PROCESS_EVENT_CONNECT mesajı gönderilir. Envanter sürecinde, verileri göndermek için Ulusal Askeri Standart Protokol Yığınının gönderme işlevini doğrudan çağırın. Ulusal askeri standart protokol yığını verileri aldığında, PROCESS_EVENT_MSG mesajını ulusal askeri standart dağıtım dizisine gönderir Dağıtım iş parçacığı RPOCESS_EVENT_MSG mesajını veri paketinin türüne göre erişim dizisine veya toplama dizisine göndermeye karar verir. Erişim iş parçacığı ve toplama iş parçacığı, verileri yukarıdaki şekilde alır. Envanter aracılığıyla, okuyucu düğümleri etiket nesneleri oluşturmak için etiket bilgilerini alır. Düğümdeki etiket nesneleri için toplama kuyrukları ve önbellek kuyrukları vardır. Önbellek kuyruğu boş olduğunda, koleksiyon iş parçacığı toplanan etiket nesnelerini aynı anda toplama kuyruğuna ve önbellek kuyruğuna ekler. Envanter bir sonraki başlatıldığında, etiketler zaten önbelleğe alınmışsa, doğrudan Önbellek sırasındaki etiketleri alın. Envanter işleminin sonunda, toplama iş parçacığı PROCESS_EVENT_RESPOND mesajını udp_client_process iş parçacığına gönderir. Udp sunucu iş parçacığı, toplama kuyruğunun etiket bilgilerini gönderir ve toplama kuyruğundaki etiket nesnelerini önbellek kuyruğuna boşaltır. Önbellek kuyruğu her on dakikada bir boşaltılır.
4 etiket
Etiket donanımı CC2538 tek çip kullanır. Etiket tasarımı, Contiki protokol yığınını, ulusal askeri standart protokolünün etiket durumu makinesinin uygulandığı, yalnızca paket açma ve gruplama işlevine sahip bir katmanla tamamen değiştirmektir. Etiketin, sistemi dağıtmadan önce yönetilen cihaza bağlanması gereken benzersiz bir 64 bit kimlik numarası vardır. Birden çok okuyucu düğümü aynı anda etiketleri saydığında çatışmalar meydana gelebilir. Bu sistem, aynı anda sadece dört okuyucu düğümünün etiketleri sayabileceğini ve aynı anda çalışan farklı okuyucu düğümlerine farklı kanallar atanmasını şart koşmaktadır.Etiket hazır komutunu dinlemek için uyandığında, alınan hazır komutundaki belirtilen etiketin çalışma kanalı olacaktır. Bir okuyucu düğümü uyandığında, çalışmaya devam etmesi için okuyucu tarafından belirlenen çalışma kanalına atlar ve çalışma tamamlandıktan sonra orijinal izleme kanalına geri döner.
5 Sistem testi
Tamamen kablosuz bir sensör ağında, her düğümün ağı korumak için verileri periyodik olarak iletmesi gerekir ve iletilen ağ veri paketleri 50 bayttan büyüktür. RFID'yi ağın sonuna tanıtmak, ancak etiketin izlemek için saniyede 1 ms uyanması dışında, ağ bilgilerini periyodik olarak iletmeye gerek yoktur. Etiketin çalışması, sıklıkla gerçekleşmeyen kullanıcının ziyaretine bağlıdır. Sistemin tamamında yalnızca az sayıda düğümün ağa bağlanması gerekir, bu da sistem güç tüketiminin bir kısmını azaltır.
6. Sonuç
Bu makale Contiki işletim sistemi ile aktif RFID entegrasyon sürecini tanıtır, Contiki sistemini uç yönlendirici platformuna aktarır, kenar yönlendirici ve okuyucu düğümlerinin çalışma sürecine odaklanır ve son olarak etiket ve çarpışma önleme yöntemlerini tanıtır. Gerçekleştirilen sistem, basit topoloji, küçük ağ ölçeği, düşük düğüm işleme kapasitesi gereksinimi ve daha düşük güç tüketimi özelliklerine sahiptir.
Referanslar
Nie Tao, Lu Yang, Zhang Peng, ve diğerleri Nesnelerin İnterneti altında RFID ve WSN arasındaki işbirliği mekanizmasının analizi Bilgisayar Uygulama Araştırması, 2011, 28 (6): 2006-2007.
Li Bin, Li Wenfeng.WSN ve RFID Teknolojisinin Birleşmesi üzerine Araştırma, Bilgisayar Mühendisliği, 2008, 34 (9): 127-128.
CULLER D.RPL: Düşük güçlü ve kayıplı ağlar için IPv6 yönlendirme protokolü. IETF RFC6550.2012.
Ji Yuxin, Yang Dong, Qin Yajuan vb. WSNs Platformuna Dayalı Contiki Evrensel Taşıma Yöntemi Araştırması. Bilgisayar Teknolojisi Geliştirme, 2012, 22 (11): 135-136.
SHELLY Z, BORMANN C.6LOWPAN: Kablosuz Yerleşik Nesnelerin İnterneti Beijing: Machinery Industry Press, 2015.
GJB7377-2.2011 Askeri radyo frekansı tanımlama hava arayüzü protokolü: 2.45GHz parametreleri. 2011.
İş teklifleri
