基于藍牙4.0與3G的無線傳感器網關設計與實現

廖鵬飛，陳慶奎

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

基于藍牙4.0與3G的無線傳感器網關設計與實現

廖鵬飛，陳慶奎

（上海理工大學光電信息與計算機工程學院，上海200093）

針對無線傳感器網絡與Internet網絡的通信協議不兼容問題，利用低功耗藍牙4.0與第三代移動通信技術，設計一種無線傳感器網關。硬件設計方面，使用基于ARM Cortex-A8的S5PV210作為主處理器，使CC2540藍牙模塊與無線傳感器節點相連接，控制3G模塊進行遠程通信。軟件設計方面，基于Android操作系統實現無線傳感器網絡與Internet網絡的數據接收、網絡協議轉換、交互控制等功能。測試結果表明，該網關具有較低的接收與轉發數據丟包率、處理時延及功耗，可保證無線傳感器網絡與Internet網絡的高效實時通信。

無線傳感器網絡；藍牙4.0；Android系統；無線傳感器網關；TCP/IP協議

1 概述

無線傳感網絡是由分布在監測區域內大量的微型傳感器節點相互通信形成的多跳自組織網絡系統，其主要目標是將網絡監測區域內被感知對象的信息進行采集、分析處理，并最終把這些信息發送給網絡所有者，使所有者對監測區域所感知的對象進行決策應用在環境監測、目標定位、醫療護理等領域［1-3］。與傳統網絡不同，微型傳感器節點的計算能力、存儲能力以及通信能力相對較弱。因此，無線傳感網絡的通信協議具有低功耗、低數據速率等特點。以至于高能耗的TCP/IP通信協議不適用于無線傳感網絡，從而使無線傳感器網絡與Internet網絡異構。通常解決異構網絡之間通信的典型方案是設計協議轉換網關。

目前很多學者已經在這方面做了研究，如文獻［4］提出基于ZigBee/Ethernet的無線傳感器網關；文獻［5-7］提出基于ZigBee/GPRS的無線傳感器網關；文獻［8］提出基于ZigBee/CDMA的無線傳感器網關。這些研究大部分采用的通信協議是IEEE802.15.4/ZigBee協議。該協議具有低復雜度、低功耗、低數據速率的特點，是無線傳感器推薦使用的技術。但目前實現該協議的硬件成本較高，協議網絡層的研究相對較少，要在無線傳感器網上大規模的應用還需要一定時間。另外，在藍牙應用研究方面，如文獻［9］提出基于嵌入式Linux的藍牙以太網網關；文獻［10］提出基于藍牙的無線傳感網關；文獻［11］提出在汽車傳感器應用中的藍牙-CAN網關。這些研究大部分采用的通信協議是傳統藍牙，并未考慮到藍牙功耗對網關及無線傳感器節點的影響，也未考慮網關移動性及遠程控制特性的設計。藍牙4.0技術是集傳統藍牙技術、高速技術和低耗能技術于一體的最新藍牙通信規范，具有極低的運行和待機功耗、低成本、3 m s低延遲、100 m以上超長通信距離、AES-128加密等特點［12］，同時藍牙4.0技術將大規模應用在手機、PAD等設備上。藍牙4.0技術的這些特性為其在無線傳感器網上的應用提供了優勢。另外，隨著移動通信網絡的不斷發展，越來越趨向于將無線傳感器網與第三代移動通信技術（3G）相融合，更利于適用特殊環境下的應用。

本文設計并實現一種基于藍牙4.0與3G通信協議的無線傳感器網關。硬件上采用S5PV210處理器作為主處理器，通過通用異步收發傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transm itter，UART）連接CC2540藍牙芯片，使用USB連接3G模塊；軟件上基于Android操作系統實現藍牙4.0模塊與無線傳感器網絡節點通信，3G模塊與Internet網絡通信、網絡協議轉換以及節點管理等功能。

2 網關硬件設計

基于藍牙4.0與3G的無線傳感器網關硬件系統結構如圖1所示。硬件結構采用傳統模塊化設計方案，主要由三部分組成：基于ARM Cortex-A 8架構的S5PV 210微處理器，具備藍牙4.0通信能力的CC2540藍牙模塊以及支持TCP/IP協議的3G模塊。硬件上，S5PV210微處理器與藍牙CC2540模塊通過UART口相連，與3G模塊使用USB接口相連。另外，為能支持Android操作系統和網關存儲等需要，該微處理器外擴展了存儲器（SDRAM， NANDFLASH）、觸摸屏等外圍接口，共同構成整個網關的硬件結構。

圖1 網關硬件系統結構

2.1 CC2540藍牙模塊

在無線傳感器網中，節點能源與計算資源極其有限，為滿足節點與節點之間、節點與網關之間的通信，選用低功耗藍牙4.0協議。傳感器節點［13］和網關均采用TI公司推出的CC2540藍牙芯片，該芯片集成了2.4 GHz射頻收發器，最大傳輸率達1 M b/s，具備豐富的硬件資源，包括21個通用I/O端口、2個UART、3個定時器等。另外，低功耗藍牙4.0協議棧已固化到CC2540芯片上，這些資源共同構成了高性價比、低功耗的片上系統（System on Chip，SoC），足以滿足網關中藍牙模塊對處理器的要求。CC2540芯片配合天線即可構成藍牙收發器，S5PV210微處理器通過UART接口與該模塊連接。

2.2 3G模塊

目前，3G支持CDMA2000，TD-SCDMA，WCDMA 3種制式標準［14］的通信協議。很多廠家都推出了相應制式的3G模塊，如ZTE公司推出的支持TD-SCDMA制式的ME3760、支持WCDMA制式的MG3732等。通常這些3G模塊均支持標準AT指令集，提供豐富的接口資源如UART接口、USIM卡接口、全速USB2.0接口。考慮到開發成本及效率問題，本文網關選用支持cdma2000的ZTE AC581模塊，S5PV210微處理器通過USB接口控制該模塊。

2.3 S5PV210主控模塊

該模塊是整個無線傳感器網關系統硬件設計的核心部分：一方面需要控制CC2450藍牙模塊通信，接收臨時存儲在CC2540藍牙模塊中從節點傳來的數據；另一方面，需要控制3G模塊以實現與Internet網絡通信。另外，還需要管理無線傳感器網中節點的信息以及本地信息顯示等功能。無線傳感器網關的這些功能都需要一個高可靠性、強大處理能力的處理器。因此，本文選用SAMSUNG推出的S5PV210微處理器作為主控制器，該微處理器集成了ARM Cortex-A8核心，具有32 KB/32 KB I/D緩存，512 KB L2緩存，2個獨立的外部存儲器端口，4個通用異步收發器，USB Host2.0，ATA控制器等接口資源，支持A/D轉換器和觸摸屏界面等系統外設。內部總線采用64位的架構，為3G通信服務提供了最優化的硬件性能。考慮到S5PV 210處理器比CC2540芯片處理速率更快，系統還需連接外部存儲作為數據緩沖區。另外，無線傳感器網關需要運行Andriod操作系統，因此外擴了256 MB的SLC NANDFLASH，512 MB DDR2RAM，64 MB SRAM，均采用集成在一起的SAMUNG芯片。

3 網關軟件設計

無線傳感器網關的軟件體系結構如圖2所示，按照硬件模塊化設計，無線傳感器網關軟件也可以分為三部分來實現：（1）通過CC2540藍牙模塊運行藍牙4.0協議棧，并采用網絡處理器模式［12］實現藍牙通信的建立，負責收發無線傳感器網節點與網關之間約定好的數據包；（2）通過3G模塊使用AT命令，實現TCP通信的建立，負責處理網關與Internet網絡數據的交互；（3）通過在S5PV210微處理器上運行Andriod操作系統，實現向藍牙模塊和3G模塊發送控制信息、協議轉換、數據存儲、節點管理以及建立TCP多線程等服務。其中第（3）部分是整個網關軟件設計部分的關鍵，由于Android系統是基于Linux內核實現的，可將UART和USB接口作為字符設備來讀寫，同時可以移植點對點協議（Point to Point Protocol，PPP）協議棧，為軟件提供高效的［15］。

圖2 網關軟件體系結構

3.1 藍牙4.0通信設計

藍牙4.0支持主從通信模式，一個藍牙4.0主設備可以同時與3個從設備保持連接，當網絡中的一個節點發送完數據后，網絡中又可以添加新的節點，從而間接地添加了節點個數。藍牙的這種特點既可以使其構成一個星型拓撲結構的微微網，又可以通過一種自組網路由算法組建一個更大廣播組拓撲形式的散射網絡。本文設計采用星型網絡拓撲結構。首先無線傳感網關主控模塊對藍牙4.0協議進行初始化配置；接下來藍牙4.0模塊作為主設備以廣播的形式發送查詢廣播包，等待傳感器從設備節點對查詢包進行應答，應答后獲取從設備的地址；然后發出建立ACL連接請求，傳感器從設備節點同意建立連接后，無線傳感器網關與傳感器節點就可根據兩者的連接句柄進行數據傳輸，藍牙通信流程如圖3所示。

圖3 藍牙通信流程

3.2 3G通信設計

3G模塊通常支持2種與Internet網絡通信的方式：（1）使用模塊內置的TCP/IP協議棧；（2）使用外置的TCP/IP協議棧。由于Andriod操作系統內置TCP/IP協議棧，因此本文采用第（2）種方式。該模塊配置設置如下：（1）在交叉編譯環境中進入make menuconfig配置ZTE AC581模塊的USB驅動，并選擇將USB轉成串口；（2）添加PPP點對點協議，PPP協議設計的目的是通過撥號或者專線方式建立點對點連接方式。（3）編譯內核并下載到無線傳感網關，在使用過程中可以通過ioctl函數庫（類似操作文件設備）對ZTE AC581模塊進行讀寫。（4）配置撥號上網腳本，pppd在Android系統中是一個用戶空間的后臺服務進程，因此可使用andriod adb，進入“/dev/ppp”配置pppd選項，主要部分如下：

“ATDT*99#”命令將訪問GGSN（Gateway GPRS Supporting Node）［14］，當獲得“CONNECT”字符串后，表示成功上網，IP地址和DNS地址將分配到撥號上網信息中，獲得IP地址后，主控模板的程序將基于TCP/IP協議進行數據通信服務。

3.3 主控模塊設計

主控模塊軟件的設計是整個無線傳感器網關的重點，需要協調整個網關模塊的工作。考慮到無線傳感器網關主要是負責對無線傳感器網中藍牙數據的收集以及方便轉發數據給遠程用戶查看和分析。因此，本文從這兩方面來分析其實現過程：

（1）無線傳感器網關與無線傳感器網通信是通過UART串口連接的藍牙4.0主設備，通過該藍牙通信接口，無線傳感器網關需要實時訪問和監控多個藍牙設備。

因此，為高效快捷地處理無線傳感器網中的數據，本文采用如圖4所示的多線程工作方式，其中，數據收集線程（CollectDataThread）負責接收無線傳感器網絡中藍牙節點定期發送的數據包，當接收到一個數據包后，將其插入一個以隊列形式存儲的共享數據區；當共享數據區中數據不為空時，使用消息傳遞機制通知數據處理線程（Data Process Thread），該線程負責從共享存儲數據區中取出數據并對數據進行處理，包括數據包解析、數據存儲、實時信息顯示。

圖4 網關采集數據流程

（2）無線傳感器網關與Internet通信是通過主控程序讀寫USB 3G模塊設備，并基于TCP/IP協議進行通信。無線傳感器網關與遠程客戶端程序通信采用基于C/S架構的設計方式。可能有多個擁有權限的用戶需要對無線傳感器網的數據進行查看設置。因此，本文基于線程池技術來響應一定的并發用戶。首先當無線傳感器網關藍牙接口采集到數據的同時，3G模塊將初始化并進行撥號上網，當從網絡運營商獲得IP地址后，無線傳感器網關將通過socket建立一個TCP服務器線程不斷監聽來自遠程客戶端的連接請求，當有遠程客戶發送連接請求，TCP服務器首先會驗證該用戶信息并判斷是否建立連接，若已經建立連接，加載會話信息，若未建立連接并通過驗證，將重新配置會話信息，然后從線程池中分配一個會話線程，該線程負責與遠程用戶交互。2類線程的工作流程如圖5所示。

圖5 TCP服務線程及會話線程流程

4 數據傳輸

TCP/IP協議相比藍牙4.0協議速率高很多，無線傳感器網與Internert網這2種網絡的數據處理能力不同，軟件上提供處理的方法及效率也不同。因此，為了符合無線傳感器網絡低功耗的特性，減少無線傳感器網絡數據通信量，提高網關處理數據的高效性，同時能夠方便TCP服務器與遠程客戶機解析無線傳感器網數據。在數據傳輸過程中，采用2種不同的統一格式應用數據包：

（1）在無線傳感網關與無線傳感網之間通信，網關監測無線傳感器網絡，網絡產生的數據均以數據包的格式發送給網關。該數據包的格式如圖6所示。其中，提供3 Byte的標識段，包括2 Byte的無線傳感器網節點唯一標識ID，1 Byte的包類型；提供變長的數據段，包括1 Byte的數據類型、1 Byte的數據長度以及可變長的數據，但一個數據包的長度不超過32 Byte；另外，為保證數據的安全性和完整性還提供1 Byte校驗位和1 Byte結束符標識。

圖6 無線傳感器網絡數據包統一格式

（2）在無線傳感網關與Internet網之間通信。當遠程用戶發送請求網關數據時，會話線程將解析命令，響應用戶的請求。現在使用的較多的方式有JSON和XML。由于Android API中提供了豐富的XML解析器，如SAX解析器、DOM解析器以及PULL解析器［13］。因此，本文采用類似XML-RPC［16］的方式，將用戶和網關通信中的數據封裝成XML格式，如用戶發送休眠ID為10的節點request-xm l示例，其中，command代表請求的命令；sensor代表節點實體：

下文為網關返回用戶請求ID為10的節點數據的response-xm l示例。其中，sensor標簽內描述傳感器節點實體信息；entitys標簽描述傳感器值信息，傳感器值的請求量取決于請求時設置的參數：

5 實驗結果與分析

按照本文提出的硬件設計方案，設計藍牙4.0與3G網關的實物圖如圖7所示。

圖7 基于藍牙4.0與3G的網關實物圖

為測試網關的性能，設計網關測試的實驗環境。通過部署3個藍牙4.0傳感器節點，實物圖如圖8所示，與網關的藍牙4.0模塊組建成微微網，節點位置放置在射頻理論傳輸距離內，節點與網關傳輸的數據是通過程序上模擬設置的測試數據，設定每隔5 s節點將向網關發送一次數據，通過采用長為16 Byte和32 Byte的數據包，從接收數據、網關轉發數據、網關時延對網關進行實驗測試。另外，為測量網關在功耗方面的性能，本文分別對ZigBee，Wi-Fi以及藍牙4.0模塊正常運行時的功耗進行測量和對比分析，實驗硬件上采用TI公司的CC2530 ZigBee模塊和CC3000 Wi-Fi模塊。

圖8 部署3個藍牙4.0傳感器節點的網關實物圖

5.1 網關接收數據

網關接收數據是指主控模板從串口接收無線傳感器網絡中發送給藍牙主模塊的數據，實驗主要測量該過程的丟包率。按照上述實驗環境，對串口波特率設置為4 800 bit/s和9 600 bit/s進行測試，網關每次從串口讀取1 000個數據包時進行一次丟包統計，每種實驗條件下進行10次丟包統計后求平均值，實驗結果如表1所示。

表1 接收數據丟包率

從表1中的實驗結果可以看出，對于不同的包長度和波特率，接收數據的平均丟包率都非常低，丟包率平均值為0.05%，表明網關能高效準確地接收數據包。

5.2 網關轉發數據

網關轉發數據是指將無線傳感器網絡收集的信息通過網關的3G模塊轉發到Internet的這一過程，實驗主要測量該過程的丟包率。按照上述實驗環境，在網關中設置計數器，每隔6 h統計一次，連續監測24 h，實驗統計結果如表2所示。

表2 轉發數據丟包率

從實驗結果來看，平均丟包率約為0.027%，遠低于CCSA標準。

5.3 網關時延

無線傳感器網關的時延是從串口中讀取一個完整數據到處理完成該數據的時間間隔，主要是為了衡量無線網關處理數據的能力。按照上述實驗環境，對串口波特率為4 800 bit/s和9 600 bit/s進行測試，網關每次從串口讀取1 000個數據包時進行一次計算數據包平均時延，每種實驗條件下進行10次時延計算后求平均值，實驗結果如表3所示。

表3 網關時延

從表3可以看出，在不同包長度和波特率情況下，本文網關平均時延均很小小，平均值為8.48 ms，遠低于CCSA標準規定的平均時延上限100 m s，表明網關能及時處理數據包。

5.4 網關功耗

功耗高低在無線傳感器網絡應用中至關重要，給Zigbee、WiFi、藍牙4.0模塊依次提供3 V，5.5 V，3.6 V的供電電壓。使用萬用表測量網關在單獨使用各接入模塊發送和接收數據以及休眠狀態下功耗，得到測量結果如表4所示。

表4 網關功耗mW

從表4可以看出，網關在處于休眠狀態時的功耗最低，正常發送和接收狀態下，藍牙4.0功耗最低，共117.8 mW，更適合無線傳感器網絡，而Wi-Fi功耗遠大于其他2種模塊，不適合無線傳感器網絡。

6 結束語

無線傳感器網關是無線傳感器網絡投入實際應用的重要組成部分，起到網線傳感器網絡與Internet網絡之間的橋接作用。本文從硬件設計、軟件實現以及通信包設計方面，介紹一種基于短距離、低功耗藍牙4.0通信技術以及3G遠程通信技術的無線傳感器網關，能夠實現傳感器網絡與Internet網絡的數據轉發、協議轉換、交互控制等功能。下一步可將本文設計的網關與物聯網、云計算等技術相融合應用于智慧家居領域。

［1］ 錢志鴻，王義君.面向物聯網的無線傳感網絡綜述［J］.電子與信息學報，2013，35（1）：215-227.

［2］ 楊 軍，張和生.一種交通信息采集傳感器網絡的IP互連方法［J］.儀器儀表學報，2011，32（11）：2598-2601.

［3］ 李戰明，李振興.ZigBee技術在人員搜救系統中的應用［J］.電子測量與儀器學報，2011，25（2）：186-190.

［4］ Xu Honghua，Liu Ke.Design on Monitoring System Based on Zigbee and Ethernet for Building Energy Consumption in University［C］//Proceedings of 2011 International Conference on Internet Technology and Applications. Washington D.C.，USA：IEEE Press，2011：1-4.

［5］ Zhu Qian，Wang Ruicong.IOT Gateway：Bridging Wireless Sensor Networks into Internet of Things［C］// Proceedings of the 8th IEEE/IFIP International Conference on Embedded and Ubiquitous Computing. Washington D.C.，USA：IEEE Press，2010：347-352.

［6］ He Hongjiang，Yue Zhuqiang.Design and Realization of Wireless Sensor Network Gateway Based on ZigBee and GPRS［C］//Proceedings of the 2nd International Conference on Information and Computing Science. Washington D.C.，USA：IEEE Press，2009：196-199.

［7］ 陳 琦，韓 冰，秦偉俊，等.基于Zigbee/GPRS物聯網網關系統的設計與實現［J］.計算機研究與發展，2011，48（Suppl）：367-372.

［8］ Hu Ronglin，Gu Xiajun.Research and Design of Gateway Node Based on CDMA for Wireless Sensor Netw orks［C］//Proceedings of the 2nd International Conference on Information Science and Engineering. Washington D.C.，USA：IEEE Press，2010：2285-2288.

［9］ 孫 睿，付志紅.基于嵌入式Linux的藍牙以太網關設計［J］.計算機應用，2006，26（1）：26-29.

［10］ Chu Hongyu，Xie Zhijiang，Shao Yanhua.Design and Implement of WSN Based on Bluetooth and Embedded System［C］//Proceedings of 2010 International Conference on Computer Application and System Modeling.Washington D.C.，USA：IEEE Press，2010：641-644.

［11］ Reddy A V D G，Dhad yalla G，Kumari N.Experimental Validation of CAN to Bluetooth Gateway for In-vehicle Wireless Networks［C］//Proceedings of Emerging Trends in Communication，Control，Signal Processing& Computing Applications.Washington D.C.，USA：IEEE Press，2013：1-5.

［12］ 歐陽駿，程子龍，黃寧淋.藍牙4.0BLE開發完全手冊-物聯網開發技術實踐［M］.北京：化學工業出版社，2013.

［13］ 李 杰，陳慶奎.基于藍牙4.0的GPU集群功耗測量系統設計［J］.電子測量與儀器學報，2014，28（3）：314-319.

［14］ 姜 波.WCDMA關鍵技術詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2012.

［15］ 胡 文，寧世勇，李明俊，等.Android嵌入式系統程序開發［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［16］ Bergstrom E.Anycast-RPC for Wireless Sensor Networks［C］//Proceedings of IEEE International Conference on Mobile Adhoc and Sensor Systems.Washington D.C.，USA：IEEE Press，2007：1-8.

編輯 陸燕菲

Design and Realization of Wireless Sensor Gateway Based on Bluetooth 4.0 and 3G

LIAO Pengfei，CHEN Qingkui
（School of Optical-electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

Aiming at the problem that the communication protocol of Wireless Sensor Network（WSN）is not incompatibility with the Internet network，a wireless sensor gateway based on low-power bluetooth 4.0 communication technology and 3G is designed.The primary processor of the gateway is designed by microprocessor S5PV210，which is used to control the communication between CC2540 bluetooth module and wireless sensor node and operate the 3G module to communicate with Internet.The software platform of the gateway is based on Android operating system，which realizes data collection，network protocol conversion，interactive control between WSN and Internet network.Test result shows that the gateway has low packet loss rate of receive and forward data，latency and power consumption，and it can ensure efficient communication between WSN and Internet network.

Wireless Sensor Network（WSN）；bluetooth 4.0；Android system；Wireless sensor gateway；TCP/IP protocol

廖鵬飛，陳慶奎.基于藍牙4.0與3G的無線傳感器網關設計與實現［J］.計算機工程，2015，41（9）：13-18，24.

英文引用格式：Liao Pengfei，Chen Qingkui.Design and Realization of Wireless Sensor Gateway Based on Bluetooth 4.0 and 3G［J］.Computer Engineering，2015，41（9）：13-18，24.

1000-3428（2015）09-0013-06

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.003

國家自然科學基金資助項目（60970012）；高等學校博士學科點專項科研博導基金資助項目（20113120110008）；上海市一流學科建設基金資助項目（XTKX2012）；上海市工程中心建設基金資助項目（GCZX14014）；上海市科委科技攻關基金資助重點項目（14511107902）；滬江基金研究基地專項基金資助項目（C14001）；上海智能家居大規模物聯共性技術工程中心基金資助項目（GCZX14014）。

廖鵬飛（1989-），男，碩士研究生，主研方向：物聯網技術，無線傳感器網絡；陳慶奎，教授、博士、博士生導師。

2014-10-17

2014-11-24 E-m ail：liao_pf@sina.cn