基于物聯網的短距無線通信系統實驗

倪 林， 張義紅， 楊 義

(東華大學 信息科學與技術學院， 數字化紡織服裝技術教育部工程研究中心， 上海 201620)

0 引 言

物聯網是繼計算機技術、互聯網技術、移動通信技術的又一次信息產業的重大發展。其產業鏈長，覆蓋面廣，應用范圍幾乎涵蓋各行各業。物聯網與傳統產業的深度融合，必將促進傳統產業的革命性的轉變[1]。作為新型的戰略產業，物聯網已受到各國政府的高度重視。

物聯網可以被認為是利用“泛在網絡”實現“泛在服務”[2], 是一種更加廣泛深遠的網絡應用形態。泛在網是在異構網絡融合和頻譜資源共享基礎上實現無所不在的網絡覆蓋，其中，泛在無線技術是物質世界互動的過程中實現末梢效應和邊緣價值的核心技術，是促進物聯網產業化應用的關鍵之一。而短距無線通信是其重要的應用形態[3]。

由于無線通信技術迅速發展，短距無線通信呈現出異彩紛呈的景象。技術性能各異，傳輸特性不同，市場需求驅動著新技術的不斷創新[4]。為了滿足社會發展的需求，為培養創新型應用人才，我們結合我校研究生的移動計算理論系統實驗，以及本科生的課程設計、畢業設計等教學實踐環節，選擇主流的短距無線通信技術，開展了基于物聯網的短距無線通信技術的系統實驗研究，包括：WiFi/IEEE802.11，ZigBee/802.15.4，以及藍牙(Bluetooth)等基礎性實驗；以及基于物聯網的GSM，CDMA，GPS等與不同短距無線通信技術的網絡融合的實驗；結合實際案例開展短距無線通信組網的實驗研究，以及基于嵌入式系統泛在無線通信技術的綜合開發。

1 短距無線通信的基礎實驗[5-6]

1.1 藍牙無線通信實驗

實驗環境。

硬件：Semit ARM9200開發板， PC機1臺，串口線(公母)1條，USB電纜1根，網線1條，TTP6603 1塊，9 V電源。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統。

(1) 藍牙協議棧移植實驗。本實驗選擇了 Linux 環境下廣泛使用的藍牙開源協議棧 BlueZ 。學生通過將 BlueZ 移植到嵌入式平臺的完整過程，理解藍牙協議的層次結構、同步/異步鏈路的建立以及常用的藍牙 Profile ，為藍牙應用功能的開發奠定基礎[7]。

(2) 藍牙無線數據通信實驗[8]。本實驗通過軟件控制藍牙實現串口數據無線傳輸的功能。通過對軟件源代碼的剖析，使學生理解通過協議棧控制藍牙設備的過程以及建立異步數據鏈路的方法，便于學生理解軟件協議棧與硬件設備之間的配合工作。

(3) 藍牙無線語音通信實驗[9-10]。本實驗通過軟件控制藍牙實現語音無線通信功能。通過對軟件源代碼的剖析，使學生理解建立藍牙同步鏈路以及用同步鏈路傳輸語音的方法，作為藍牙電話網關設計的基礎。

1.2 WiFi/IEEE802.11b/g無線通信實驗

實驗環境：

硬件：Semit ARM9200開發板， PC機一臺，串口線(公母)1 條，網線1條，WLAN 11g USB 適配器 1個，9V電源1個，無線路由器1個。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統。

本實驗通過嵌入式主機上的 802.11b/g無線接入模塊，向100 m范圍內的 WLAN 終端設備提供無線接入功能，并與WLAN終端進行無線數據傳輸，提供文件傳輸的示例軟件。

1.3 ZigBee無線通信實驗

實驗環境：

硬件：Semit ARM9200開發板， PC機一臺，串口線(公母)1 條，網線1條，ZigBee模塊 2個(1主、1從)，9 V電源1個，5 V電源2個。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統。

開發板：

輸入cd/mnt/SEMIT_ ProjectdZigBee進入該文件夾。輸入./send就可以看到通過串口傳來的溫度信息了。

2 短距無線通信與異構網絡融合的系統實驗[11-13]

2.1 藍牙無線通信與GSM/GPRS網絡融合的系統實驗

實驗環境：

硬件：Semit ARM9200開發板， PC機一臺，串口線(公母)1條，USB 電纜1 根，網線1條，TTP6603 一塊，9 V電源。如圖1所示。

圖1 藍牙與GSM/GPRS網絡融合

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統。

在開發板：輸入cd /mnt/S EM IT_ Project/Bluetooth_ Cellphone/Bluetooth_ Cellphone_ Server輸入./server。

在PC上輸入：cd /mnt/S EM IT_ Project/Bluetooth_ Cellphone/Bluetooth_ Cellphone_ Client

在PC端用USB電纜連接TTP6603

在PC端：輸入./Bluetooth_link。通過藍牙，按如上的操作界面提示進行操作，就可以實現在 PC 端與GSM網絡通話了。

其中，嵌入式主機為藍牙電話網關，實現了藍牙短距無線通信與GSM網絡的融合。

2.2 WiFi短距無線通信與廣域網的融合

實驗拓撲圖如圖2所示。

在開發板：

輸入cd /mnt/SEMIT_Project/Multinet/802. 11

輸入./PC1_init。

在PC2端：輸入.PC2_init。

輸入ping 172.27.0.1和ping 192.168.0.56，如果ping的通，說明通過WiFi成功的實現了PC機與廣域網的通信，以及PC機之間的互相通信。

2.3 WSN與廣域網的融合系統實驗[14]

實驗拓撲圖如圖3所示。

圖3 實驗拓撲圖

實驗環境：

硬件：Semit ARM9200開發板， PC機1臺，串口線(公母)1 條，網線1條，ZigBee模塊 2個(1主、1從)，9 V電源1個，5 V電源2個。

軟件： RedHat 9. 0以上Linux操作系統。

在開發板：輸入cd /mnt/SEMIT_Project/WSN/WSN_Client

在PC機：輸入cd /SEMIT_Project/WSN/WSN_Server

輸入./Server。

開發板輸入：./client 192.168.0.22(PC機IP)

在PC端就能看到開發板端通過網線傳過來的溫度信息了。

3 短距無線通信的綜合開發系統實驗研究[15]

基于物聯網應用的典型案例，我們利用Bluetooth、WiFi短距無線通信開發了完整的定位信息無線傳輸系統。如圖4所示。

圖4 典型物聯網應用案例

其中，嵌入式主機起到主控作用， GPS 模塊用于接收定位衛星信號并進行處理，向嵌入式主機提供定位和標準定時信息。網關上的Bluetooth和802.1lb/g 模塊作為兩種可選的短距離無線通信方式，能夠將定位信息以無線的形式傳送到其他設備，例如上圖 中帶有 Bluetooth和802.llb/g通信功能的手機或計算機。

具體實驗環境[16-17]：

硬件：Semit ARM9200開發板， PC機一臺，串口線(公母)1 條，網線1條，WLAN 11g USB 適配器 2個，GPS模塊1個，9 V電源2個，7.5 V電源1個，無線路由器1個。實驗拓撲圖見圖5。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統。

圖5 實驗拓撲圖

PC機：

輸入cd /SEM IT_Project/GPS_Wireless/GPS_Wireless_Server

輸入./pc_config。

在開發板：

輸入cd /mnt/SEMIT_Project/GPS_Wire1ess/GPSWire1ess_C1ient

輸入./ARM_config

輸入Ctrl+C即可停止程序運行。

其中，GPRMC數據格式中，GPS的實用數據含義為：A=數據可用，N=北半球，E=東半球。

4 結 語

物聯網是利用“泛在網絡”實現“泛在服務”，短距無線通信是推動其發展的重要力量之一。本文從基礎實驗、以及與異構網絡的融合、綜合開發等三方面對短距無線通信進行了系統實驗研究。通過實驗研究，使學生們對主流的短距無線通信不僅有較為深入的感性認識，而且還要有較為系統的用知能力，最終目的是通過實驗提高學生的創新實踐水平。

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