多路通道無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)的研究

趙雙萍 邢敬宏 何 輝

(蘭州工業(yè)高等專科學(xué)校軟件工程系，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來，無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)獲得了廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)的不斷成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks，WSN)逐步進入產(chǎn)業(yè)化階段，以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的物物互聯(lián)技術(shù)在全球高速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things，IoT)涵蓋了大量現(xiàn)有的專業(yè)門類和技術(shù)體系。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、服務(wù)業(yè)、環(huán)保、軍事、交通以及家居等幾乎所有的領(lǐng)域。

從物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用來看，可將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)分為三個層次:一是無線傳感網(wǎng)絡(luò)，即以二維碼、RFID、傳感器為主的網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)“物”的識別［1］;二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)或未來的NGN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與計算;三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，即輸入輸出控制終端，可基于現(xiàn)有的手機、PC等終端進行。

本文對以上三個層次逐步展開研究，并設(shè)計了多路通道的無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)。

1 第三代無線傳感網(wǎng)絡(luò)

系統(tǒng)采用3G-WSN的第三代無線傳感技術(shù)，利用JN5148的SoC來構(gòu)建性能更佳的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)具有對其他無線環(huán)境無污染、傳輸距離長、功耗低等諸多優(yōu)點。

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能實時監(jiān)測、感知采集節(jié)點部署區(qū)內(nèi)的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對這些信息進行處理，最后將處理后的信息以無線的方式發(fā)送給終端用戶。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟，具有感知、計算、通信、路由功能的微傳感器節(jié)點不斷涌現(xiàn)，由這些節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正備受關(guān)注［2］。

目前，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域得到了的廣泛應(yīng)用，它已成為當(dāng)今的熱點研究方向之一，被認為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的高新技術(shù)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點和終端用戶組成。大量傳感器節(jié)點被部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)［3］。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點在對數(shù)據(jù)進行分析、融合等處理后，通過無線的方式將數(shù)據(jù)送入服務(wù)器。用戶通過監(jiān)控中心對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測命令并收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

傳感部分共由四個節(jié)點構(gòu)成，即終端節(jié)點、路由節(jié)點、中心節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。終端節(jié)點可以以低功耗休眠方式運行，其低功耗性能更為優(yōu)越［4］。終端節(jié)點中燒寫EndDevice節(jié)點程序，其主要功能是采集溫度、濕度、電壓和脈沖等傳感數(shù)據(jù)，并監(jiān)聽Router節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，或檢測到Coordinator中心節(jié)點和路由Router節(jié)點后將自己加入到網(wǎng)絡(luò)中。路由節(jié)點中燒寫路由Router程序，其主要功能是完成EndDevice節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)向Coordinator節(jié)點傳輸，同時偵聽網(wǎng)絡(luò)和周圍的Router節(jié)點，以實現(xiàn)多跳方式自組網(wǎng)，形成完整的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。中心節(jié)點中燒寫Coordinator專用程序，其主要功能是刷新整個網(wǎng)絡(luò)和路由表［5］。中心節(jié)點以串口的方式與ARM11嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點相連接，若串行速率達不到115 200 bit/s，則以SPI從節(jié)點的方式直接與ARM11的S3C6410相連接通信，以實現(xiàn)更高速的數(shù)據(jù)傳輸。無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Architecture of WSN

1.2 JN5148傳感網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

本文選用JN5148作為傳感器節(jié)點。JN5148是英國JENNIC公司研發(fā)的第三代WSN的SoC芯片，其搭載32 bit的RISC CPU，可支持新的ZigBee PRO、JenNet通信協(xié)議，它是目前ZigBee單芯片無線微處理器市場中唯一能提供低耗電與最大內(nèi)存容量的芯片。JN5148是一款綠色環(huán)保的芯片，它對其他2.4 GHz傳輸網(wǎng)沒有干擾，且傳輸DES 128位加密更加安全可靠。

JN5148編程時，采用Eclipse的C++編譯環(huán)境，其C++程序經(jīng)編譯后生成BIN的二進制文件。然后使用Flash Programer工具，將程序以串行方式直接燒寫至JN5148 CPU的程序存儲空間。其傳輸協(xié)議可以選擇 MAC協(xié)議、802.15.4協(xié)議或 ZigBee PRO、JenNet協(xié)議。本文選擇能夠支持線性路由和節(jié)點間可以互相通信的JenNet協(xié)議來進行構(gòu)建。

2 嵌入式網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時，還要對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理和設(shè)置。網(wǎng)關(guān)節(jié)點需具備以下功能:掃描并選定物理信道［6］，分配無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;記錄WSN網(wǎng)絡(luò)所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助節(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成;發(fā)送監(jiān)控中心控制指令，為用戶實現(xiàn)特定的操作功能;接收采集節(jié)點的請求和相關(guān)數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請求和路由選擇等功能。

作為感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)或終端用戶的橋梁，網(wǎng)關(guān)節(jié)點要處理大量數(shù)據(jù)，因此必須具備高速度、大存儲量和較遠傳輸距離的性能，即低成本、高效能。同時，因傳感器部署在環(huán)境惡劣的區(qū)域，頻繁更換電池很不現(xiàn)實，充足的能量供應(yīng)必須優(yōu)先考慮，低功耗設(shè)計也將成為整個設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

本文選用ARM11 S3C6410構(gòu)建嵌入式網(wǎng)關(guān)，ARM11能支持WiFi、GPRS方式或Ethernet的IP網(wǎng)直連方式與互聯(lián)網(wǎng)連接，或者以 WCDMA/TD-CDMA/CDMA2000的連接方式與互聯(lián)網(wǎng)相連接。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the gateway

嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計需要能夠支持多種網(wǎng)絡(luò)鏈接的中繼設(shè)備，因此必須選擇基于支持多網(wǎng)絡(luò)支持的嵌入系統(tǒng)。選用FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速和并行處理，但其接口能力弱，需要進行許多擴展才能完成任務(wù);DSP嵌入式開發(fā)板適用于對信號進行處理，其處理能力強、速度快［7］，但對于多網(wǎng)絡(luò)的支持并不十分完美。因此，本文選擇基于Linux的ARM嵌入式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。在Linux下能夠較為輕松地開發(fā)支持WiFi網(wǎng)絡(luò)適配、GPRS撥號網(wǎng)絡(luò)和CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA的驅(qū)動程序，驅(qū)動移植較為簡單。基于ARM11的嵌入開發(fā)板能夠?qū)崿F(xiàn) QT4.7和QTE4.4的移植，而QT4提供了大量的庫函數(shù)。這些庫函數(shù)使得網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、圖表展示等功能增強。

ARM11嵌入式網(wǎng)關(guān)的RJ45接口與IP網(wǎng)絡(luò)交換機相連，實現(xiàn)WSN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)。其串行接口COM3設(shè)備與WSN的中心節(jié)點相連接，嵌入網(wǎng)關(guān)的USB接口不但可以插接U盤，讀取U盤上的文件;也可以插接USB攝像頭，將視頻直接顯示在LCD上，并通過IP/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端服務(wù)器實現(xiàn)遠程監(jiān)控。此外，USB接口還可以與3G適配器連接，實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)的連接，其支持WCDMA，同時也支持TD_SCDMA和CDMA2000。因此，無論是聯(lián)通、電信或移動，只要有網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)控。網(wǎng)關(guān)的COM2口提供了可以與GPRS Modem Q2406B連接的5線串行接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。

嵌入式網(wǎng)關(guān)開發(fā)環(huán)境較為復(fù)雜，首先在Windows平臺上安裝VMware，再分別在VM和Linux上安裝Linux系統(tǒng)和ARM交叉編譯環(huán)境。所有程序均在Linux的QT Creator上開發(fā)，以Linux終端命令make實現(xiàn)編譯;編譯完成后，以網(wǎng)絡(luò)或U盤文件方式發(fā)布在ARM上［8］。然后設(shè)置其運行權(quán)限及其在 Qtopia的desktop配置文件。

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用ARM11開發(fā)，提供WiFi/3G/IP/GPRS 等連接的驅(qū)動程序，通過 WiFi、GPRS、3G、IP 的任一種連接方式，實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)與Internet服務(wù)器的通信。

3 基于RTMP的數(shù)據(jù)通信軟件設(shè)計

隨著Web技術(shù)的發(fā)展，W3C制定了新的HTML5標(biāo)準(zhǔn)，并通過Web方式實現(xiàn)Socket。系統(tǒng)借用新技術(shù)，以實時消息傳輸協(xié)議(real-time messaging protocol，RTMP)傳送數(shù)據(jù)，前臺采用Adobe的Flex來實現(xiàn)Web組態(tài)界面。

RTMP方式能夠?qū)崿F(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳送，這種數(shù)據(jù)的傳送方式是由服務(wù)器端發(fā)出的。當(dāng)系統(tǒng)啟動時，在客戶端和服務(wù)器端之間建立一個通道(RTMP隧道)，當(dāng)服務(wù)器端有數(shù)據(jù)需要傳送時，即可直接傳送，而無需客戶端的請求，從而實現(xiàn)真正的數(shù)據(jù)傳送。

本文以Java技術(shù)為基礎(chǔ)，自行編寫 Web組態(tài)界面。對 Web Socket的 Web啟動、數(shù)據(jù)接收以及JfreeChart實現(xiàn)組態(tài)界面的編制進行了嘗試，結(jié)果表明該界面非常適合跨平臺Linux等其他操作系統(tǒng)平臺的訪問，對手機瀏覽器的支持也非常好。

3.1 服務(wù)器端軟件設(shè)計

本文構(gòu)建了以HTML5.0為基礎(chǔ)的Socket，直接接收來自ARM11網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)HMI人機交互。首先要在服務(wù)器端建立Server Socket;然后偵聽下位機傳來的實時數(shù)據(jù)，一旦上位機收到數(shù)據(jù)，則對有效數(shù)據(jù)進行提取;最后利用Web ORB將實時數(shù)據(jù)傳送到Web瀏覽器端(即 Flex)上即時顯示［9］。

服務(wù)器端實時偵聽下位機傳來的數(shù)據(jù)，收到數(shù)據(jù)后即通過RTMP傳到Flex Client，服務(wù)器端使用.NET C#編寫的DLL動態(tài)連接庫。

下位機端嵌入式網(wǎng)關(guān)使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)將無線傳感器傳來的環(huán)境變量(如溫度、濕度)定時發(fā)到 Server Socket，數(shù)據(jù)可通過 3G、GPRS、IP 等方式傳遞。服務(wù)器端工作流程如圖3所示。

圖3 服務(wù)器端工作流程圖Fig.3 Operating process of the server

3.2 Flex客戶端

系統(tǒng)Web Client端使用Flex技術(shù)開發(fā)。Flex是一個針對企業(yè)級富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用(rich internet application，RIA)的表示層解決方案［10］，它是Flash的一種應(yīng)用程序框架。

幾乎所有用戶瀏覽器都安裝了Flash Player插件，利用Flex可以實現(xiàn)應(yīng)用程序的跨平臺。

Flex序列產(chǎn)品包括編譯工具和IDE。通過編寫MXML(一種類似 XML標(biāo)記語言)和 ActionScript代碼，用編譯器來生成SWF文件。用戶使用瀏覽器的Flash Player插件即可進行觀看。

4 結(jié)束語

無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控技術(shù)研究旨在構(gòu)建一套基于最新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)測控體系，并探索新的一種測控模式。整個系統(tǒng)以JN5148這個第三代WSN的SoC為基礎(chǔ)構(gòu)建，構(gòu)建后的WSN支持ZigBee PRO協(xié)議，同時支持JenNet協(xié)議和基于IPV6的6LoWPAN協(xié)議。系統(tǒng)以基于S3C6410的ARM11構(gòu)筑嵌入式網(wǎng)關(guān)，嵌入式網(wǎng)關(guān)以最新的 Linux2.6.36為內(nèi)核，以最新發(fā)布的QT4.7For ARM為開發(fā)平臺，實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關(guān)與WSN 之間的高速連接，并通過WiFi、GPRS、3G、IP 的任一種連接方式，實現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)關(guān)與Internet連接的服務(wù)器通信。同時，構(gòu)建了以HTML5.0基礎(chǔ)的Socket，可直接接收來自ARM11網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以曲線或圖表的方式呈現(xiàn)在Web中，構(gòu)成以Web為基礎(chǔ)的組態(tài)軟件，實現(xiàn)HMI人機交互。

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