專利名稱：一種基于6LowPAN的兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其針對于6LoWPAN(IPv6 over LR_WPAN, 簡稱6LowPAN)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)檢測、協(xié)議分析。
背景技術(shù)：
隨著無線通信技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，產(chǎn)生了一種面向設(shè)備間信息交互的工業(yè)無線通信技術(shù)。在對無線傳感技術(shù)的研發(fā)和測試中，都要求對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測和協(xié)議分析。通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議分析設(shè)備有很多，主要是對協(xié)議進(jìn)行分析，為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提供具體的數(shù)據(jù)支持。但是當(dāng)前的協(xié)議分析儀存在較多缺陷。首先，如最常用的就是嗅探器，主要是對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和數(shù)據(jù)流動進(jìn)行監(jiān)視，并且是單一信道的監(jiān)測，缺乏對無線傳感網(wǎng)進(jìn)行檢測。其次，現(xiàn)有對無線傳感網(wǎng)的協(xié)議主要是針對單一協(xié)議ZigBee進(jìn)行檢測和分析，缺乏可擴(kuò)展性。再次，IPv6技術(shù)在無線傳感網(wǎng)中的滲透，對新的無線傳感網(wǎng)技術(shù)基于 IEEE802. 15. 4實現(xiàn)IPv6通信的6LowPAN進(jìn)行檢測和分析，需要新的數(shù)據(jù)檢測和協(xié)議分析， 來為6LowPAN開發(fā)和研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。因此，傳統(tǒng)的分析儀不能滿足新技術(shù)的需求，需要更新數(shù)據(jù)檢測和協(xié)議分析技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種基于6LowPAN的兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀(以下簡稱“分析儀”)。該分析儀基于USB接口的多功能分析儀。該分析儀能自配置兩信道，對無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)報文進(jìn)行同時檢測，并對協(xié)議數(shù)據(jù)報文進(jìn)行解碼分析。支持兼容對ZigBee協(xié)議分析和可擴(kuò)展對WIA-PA、ISA100. 11a報文的檢測和解碼分析。本數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀，包括兩部分無線數(shù)據(jù)采集模塊部分、上位機(jī)解碼分析部分。無線數(shù)據(jù)采集模塊由主控制器、2. 4GHz無線射頻接收器模塊1、2. 4GHz無線射頻接收器模塊2、USB接口模塊、電源管理模塊組成。上位機(jī)解碼分析部分包括系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機(jī)界面，主控制器通過同步串行端口控制器的兩個串行外圍設(shè)備接口進(jìn)行總線操作，分別控制無線RF接收器1和無線RF收發(fā)器2，通過不斷輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文，并把有效的數(shù)據(jù)報文存儲在各自的無線RF收發(fā)器的數(shù)據(jù)緩存中，主控制器對數(shù)據(jù)報文封裝報文頭和信道號，上傳到上位機(jī)；上位機(jī)解碼分析部分?jǐn)?shù)據(jù)解析模塊對檢測到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼分析，按照其協(xié)議類型解析后，將解析的數(shù)據(jù)報文送數(shù)據(jù)顯示模塊， 系統(tǒng)設(shè)置部分通過串口下發(fā)命令修改接收數(shù)據(jù)報文的信道。所述輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文具體包括，通過兩個無線射頻接收器對16個原始信道序列表進(jìn)行輪詢掃描， 在掃描每個信道時，當(dāng)監(jiān)測每個信道數(shù)據(jù)的最大時間值內(nèi)仍沒有數(shù)據(jù)報文，按照原始信道序列表自動切換到相鄰的下一個信道號。對檢測到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼分析具體為，上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)報文的MAC層報文頭的幀控制域中的幀類型子段確定幀類型。若接收到的MAC層報文頭是MAC命令幀和信標(biāo)幀，則該數(shù)據(jù)包是WIA-PA或ZigBee的數(shù)據(jù)包；若是報文頭是數(shù)據(jù)幀，則是6LowPAN、ISA100. 11a, WIA-PA和ZigBee中之一的數(shù)據(jù)包，則優(yōu)先采用6LowPAN協(xié)議模型的協(xié)議規(guī)則逐層解析。本發(fā)明還提出一種基于6LowPAN的兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析方法，其特征在于，無線數(shù)據(jù)采集部分的主控制器通過同步串行端口控制器的兩個串行外圍設(shè)備接口進(jìn)行總線操作，分別控制無線RF接收器1和無線RF收發(fā)器2，通過不斷輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文，并把有效的數(shù)據(jù)報文存儲在各自的無線RF收發(fā)器的數(shù)據(jù)緩存中，主控制器對數(shù)據(jù)報文封裝報文頭和信道號，上傳到上位機(jī)；上位機(jī)解碼分析部分?jǐn)?shù)據(jù)解析模塊對檢測到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼分析，按照其協(xié)議類型解析后，將解析的數(shù)據(jù)報文送數(shù)據(jù)顯示模塊，系統(tǒng)設(shè)置部分通過串口下發(fā)命令修改接收數(shù)據(jù)報文的信道。本發(fā)明提出的協(xié)議分析儀，獨立于無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)以外，能同時進(jìn)行兩信道的數(shù)據(jù)監(jiān)測和協(xié)議分析，也可調(diào)整兩個信道同時對一個信道檢測，降低了丟包率，可以對 6LowPAN進(jìn)行檢測和協(xié)議的解碼分析，并兼容對ZigBee的協(xié)議分析和可擴(kuò)展對WIA-PA、 ISA100. Ila進(jìn)行協(xié)議解碼分析。


圖1本發(fā)明原理框圖2無線數(shù)據(jù)采集模塊部分原理結(jié)構(gòu)圖； 圖3上位機(jī)解碼分析部分結(jié)構(gòu)圖； 圖4本發(fā)明工作流程圖； 圖5串口數(shù)據(jù)接收流程圖； 圖6 6LowPAN解析流程圖。圖1中標(biāo)號A為主控制器，B為2. 4GHz無線RF收發(fā)器1，C為2. 4GHz無線RF收發(fā)器2，D為USB接口，E為上位機(jī)解碼分析部分。
具體實施例方式下面參照附圖和具體實例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)分析。如圖1所示為分析儀的原理框圖。包括兩部分無線數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)解碼分析部分。無線數(shù)據(jù)采集部分包括主控制器、2. 4GHz無線射頻收發(fā)器1、2. 4GHz無線射頻收發(fā)器2、USB接口模塊、電源管理模塊。上位機(jī)解碼分析部分包括系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機(jī)界面。圖2所示為無線數(shù)據(jù)采集模塊原理結(jié)構(gòu)圖。主控制器采用微處理芯片ARM公司最新發(fā)布的Cortex-MO內(nèi)核，它是市場上現(xiàn)有的最小、能耗最低的ARM處理器。無線射頻接收器采用UZMOO模塊，UZ2400模塊工作在2. 4GHz的頻段上具有16個信道，是一種符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的射頻模塊。此時，Cortex-MO處理器就通過串行外圍設(shè)備接口 (SPI0和SPI1)總線分別控制的UZMOO無線射頻接收器1和UZMOO無線射頻接收器2，輪詢讀取緩存器(FIFO)中的數(shù)據(jù)，Cortex-MO處理器對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行處理。設(shè)置2. 4GHz無線射頻收發(fā)器1、2. 4GHz無線射頻收發(fā)器2保證同時進(jìn)行兩信道的數(shù)據(jù)報文的檢測，支持對工作在頻段為2. 4GHz，從2. 405GHz-2. 480GHz間分布，共16個信道
4的射頻接收裝置。主控制器無線數(shù)據(jù)采集模塊部分的核心，通過同步串行端口控制器(SSP) 的兩個串行外圍設(shè)備接口(SPI)進(jìn)行總線操作，以主控制器為主機(jī)模式，無線射頻接收器為從模式，分別控制無線射頻收發(fā)器1、2工作。主控制器通過總線對無線數(shù)據(jù)模塊的寄存器進(jìn)行設(shè)置，通過不斷輪詢兩個無線射頻收發(fā)器，持續(xù)監(jiān)聽兩個信道是否有無線數(shù)據(jù)報文。主控制器通過串口轉(zhuǎn)USB，實現(xiàn)無線采集模塊和上位機(jī)之間的通信。電源管理模塊，通過串口轉(zhuǎn)USB接口電路，提供對整個分析儀的供電。無線數(shù)據(jù)報文經(jīng)過基帶濾波把有效的數(shù)據(jù)報文存儲在無線射頻接收器的數(shù)據(jù)緩存(FIFO)中，主控制器通過總線操作讀取數(shù)據(jù)緩存(FIFO)中的有效數(shù)據(jù)報文，并對讀取到的報文進(jìn)行報文長度識別，檢測是否是一個完整的數(shù)據(jù)報文。對完整報文送入上位機(jī)解碼分析部分。圖3所示為上位機(jī)解碼分析部分結(jié)構(gòu)圖。上位機(jī)由數(shù)據(jù)處理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊和人機(jī)界面三部分構(gòu)成，對接收的報文進(jìn)行進(jìn)行判斷，識別是何種協(xié)議的數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)處理模塊對協(xié)議棧的數(shù)據(jù)報文逐層解碼分析，獲得協(xié)議棧數(shù)據(jù)報文的源地址、目的地址、幀類型、協(xié)議各層的負(fù)載等數(shù)據(jù)報文信息，提供數(shù)據(jù)圖顯示，能對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行實時或事后監(jiān)測分析，提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)，對研發(fā)和應(yīng)用提供可靠的支持。如圖4所示為兩信道數(shù)據(jù)檢測和協(xié)議分析儀工作流程圖。以默認(rèn)兩信道分別為 OxOB, OxOC為例，詳細(xì)說明信道切換過程。上電后，對主控制器Cortex-MO處理器進(jìn)行初始化，通過Cortex-MO處理器的串行外圍設(shè)備接口(SPI)進(jìn)行對無線射頻接收器1、2的寄存器進(jìn)行寫操作，完成數(shù)據(jù)采集配置。通過兩個無線射頻接收器對16個原始信道(顯示為十六進(jìn)制數(shù)值從 chll (OB)至 ch26 (1A),OB=Il, 0C=12. . . 10=16,. . . 19=25，1A=26)序列表進(jìn)行輪詢掃描。在掃描每個信道時，當(dāng)監(jiān)測每個信道數(shù)據(jù)的最大時間值(系統(tǒng)設(shè)定的監(jiān)測時間閾值)內(nèi)仍沒有數(shù)據(jù)報文，按照原始信道序列表OxOB-OxlA自動切換到相鄰的下一個信道號 OxOD, OxOE繼續(xù)對空中無線數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。數(shù)據(jù)報文經(jīng)過無線射頻接收器的基帶濾波后，送入接收數(shù)據(jù)緩存(RXFIFO)中，同時幀校驗序列(FCS)對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行合法性檢查。每個無線射頻接收器的接收數(shù)據(jù)緩存 (RXFIFO)中有兩個144-byte (RXFIF0_0和RXFIF0_1)組成的接收數(shù)據(jù)緩存來存儲即將到來的數(shù)據(jù)報文，每當(dāng)Cortex-MO處理器讀取其中的一個RXFIFO中數(shù)據(jù)時，另外一個RXFIFO 就會繼續(xù)接收存儲即將到來的數(shù)據(jù)報文，這樣就能有效減小數(shù)據(jù)的丟包率。無線數(shù)據(jù)檢測模塊每次接收到一個數(shù)據(jù)報文時會自動將接收信號強(qiáng)度指示和鏈路質(zhì)量指示值加到該數(shù)據(jù)報文的后面。Cortex-MO處理器通過不斷輪詢讀取無線RF收發(fā)器，把接收數(shù)據(jù)緩存 (RXFIFO)中的數(shù)據(jù)讀取出來。根據(jù)該報文的長度值，主控制器讀取到一個完整數(shù)據(jù)報文以后，在該報文前封裝報文有效性報文頭(如0x66、0χΑΒ)，以方便上位機(jī)進(jìn)行對數(shù)據(jù)有效性進(jìn)行識別判斷，然后通過串口上傳給上位機(jī)進(jìn)行協(xié)議的解碼分析?？刂破飨蛏衔粰C(jī)傳送的數(shù)據(jù)格式如下所示
權(quán)利要求
1.一種基于6LOWPAN的兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀，包括，無線數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)解碼分析部分，其特征在于，無線數(shù)據(jù)采集包括主控制器、無線RF收發(fā)器1、無線RF收發(fā)器2、USB接口模塊，上位機(jī)解碼分析部分包括系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和人機(jī)界面， 主控制器通過同步串行端口控制器的兩個串行外圍設(shè)備接口進(jìn)行總線操作，分別控制無線 RF接收器1和無線RF收發(fā)器2，通過不斷輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文，并把有效的數(shù)據(jù)報文存儲在各自的無線RF收發(fā)器的數(shù)據(jù)緩存中，主控制器對數(shù)據(jù)報文封裝報文頭和信道號，上傳到上位機(jī)；上位機(jī)解碼分析部分?jǐn)?shù)據(jù)解析模塊按照優(yōu)先類型對檢測到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行逐層逐字節(jié)解析，并按照其協(xié)議類型解析后送數(shù)據(jù)顯示模塊，系統(tǒng)設(shè)置部分通過串口下發(fā)命令修改接收數(shù)據(jù)報文的信道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀，其特征在于，所述輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文具體包括，通過兩個無線射頻接收器對16個原始信道序列表進(jìn)行輪詢掃描，在掃描每個信道時，當(dāng)監(jiān)測每個信道數(shù)據(jù)的最大時間值內(nèi)仍沒有數(shù)據(jù)報文， 按照原始信道序列表自動切換到相鄰的下一個信道號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀，其特征在于，對于6LowPAN數(shù)據(jù)包，則根據(jù)6LowPAN的網(wǎng)絡(luò)層幀格式取出地址信息、網(wǎng)絡(luò)層的幀數(shù)據(jù)單元，在網(wǎng)絡(luò)層的幀數(shù)據(jù)單元中，先取出其第1個字節(jié)的低2bit位，得到幀類型為數(shù)據(jù)幀；然后取出地址信息、應(yīng)用層讀數(shù)器、擴(kuò)展頭和應(yīng)用層幀數(shù)據(jù)單元。
4.一種基于6LowPAN的兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析方法，其特征在于，無線數(shù)據(jù)采集部分的主控制器通過同步串行端口控制器的兩個串行外圍設(shè)備接口進(jìn)行總線操作，分別控制無線RF接收器1和無線RF收發(fā)器2，通過不斷輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文， 并把有效的數(shù)據(jù)報文存儲在各自的無線RF收發(fā)器的數(shù)據(jù)緩存中，主控制器對數(shù)據(jù)報文封裝報文頭和信道號，上傳到上位機(jī)；上位機(jī)解碼分析部分?jǐn)?shù)據(jù)解析模塊對檢測到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼分析，按照其協(xié)議類型解析后，將解析的數(shù)據(jù)報文送數(shù)據(jù)顯示模塊，系統(tǒng)設(shè)置部分通過串口下發(fā)命令修改接收數(shù)據(jù)報文的信道。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析方法，其特征在于，所述輪詢持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文具體包括，通過兩個無線射頻接收器對16個原始信道序列表進(jìn)行輪詢掃描，在掃描每個信道時，當(dāng)監(jiān)測每個信道數(shù)據(jù)的最大時間值內(nèi)仍沒有數(shù)據(jù)報文，按照原始信道序列表自動切換到相鄰的下一個信道號。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析方法，其特征在于，對于6LowPAN數(shù)據(jù)包，則根據(jù)6LowPAN的網(wǎng)絡(luò)層幀格式取出地址信息、網(wǎng)絡(luò)層的幀數(shù)據(jù)單元，在網(wǎng)絡(luò)層的幀數(shù)據(jù)單元中，先取出其第1個字節(jié)的低2bit位，得到幀類型為數(shù)據(jù)幀；然后取出地址信息、 應(yīng)用層讀數(shù)器、擴(kuò)展頭和應(yīng)用層幀數(shù)據(jù)單元。
全文摘要
本發(fā)明請求保護(hù)一種基于6LowPAN的兩信道數(shù)據(jù)檢測與協(xié)議分析儀及方法，涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域。該分析儀包括無線數(shù)據(jù)采集模塊和上位機(jī)解碼分析部分，無線RF收發(fā)器1和無線RF收發(fā)器2，持續(xù)監(jiān)聽信道是否有無線數(shù)據(jù)報文，主控制器對數(shù)據(jù)報文進(jìn)行封裝報文頭和信道號，上傳到上位機(jī)；上位機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)接收的數(shù)據(jù)報文的MAC層報文頭的幀控制域中的幀類型子段確定幀類型，若為6LowPAN數(shù)據(jù)包，將6LowPAN數(shù)據(jù)包的協(xié)議報頭根據(jù)6LowPAN協(xié)議模型的協(xié)議規(guī)則逐層解析，并進(jìn)行分析統(tǒng)計送入人機(jī)界面顯示。
文檔編號H04W80/00GK102158882SQ20111014044
公開日2011年8月17日 申請日期2011年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月27日
發(fā)明者沈杰, 王平, 謝昊飛, 陸楠, 陳慶華 申請人:重慶郵電大學(xué)