物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與信息傳輸技術研究

賈偉

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)技術已成為國際備受關注的前沿熱點研究領域，ZigBee技術具有低功耗、高度可擴展性、低成本、易組網(wǎng)等特點，已成為短距離物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展的一條主線。構建了一個基于ZigBee無線網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，設計協(xié)調器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點，移植并修改Miracl大數(shù)運算庫，成功實現(xiàn) RC5 和 AES 等數(shù)據(jù)加密算法，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠性傳輸。最后，設計了上位機監(jiān)控軟件，在接收到數(shù)據(jù)幀后能夠進行解析、存儲等操作，實時地查看網(wǎng)絡節(jié)點的運行狀態(tài)和較直觀地顯示監(jiān)測區(qū)域的采集信息。

關鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； Cortex?M3； ZigBee協(xié)議； 傳感器； 監(jiān)控軟件

中圖分類號： TN911?34； TP368.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0033?05

隨著科技進步與網(wǎng)絡的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術已成為全球關注的焦點并應用于多個領域，這為實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享和安全等服務提供了技術保障。本文設計構建了一個基于ZigBee無線網(wǎng)絡的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺，深入研究物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與信息傳輸技術。

1 網(wǎng)絡節(jié)點的軟硬件設計

在搭建物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺時，根據(jù)網(wǎng)絡節(jié)點在網(wǎng)絡中的任務特點設計了三種類型的網(wǎng)絡節(jié)點，即終端節(jié)點（又稱傳感器節(jié)點）、路由節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。三種節(jié)點相互通信協(xié)作，共同完成數(shù)據(jù)的信息化處理。

1.1 網(wǎng)絡節(jié)點的結構設計

網(wǎng)絡節(jié)點一般由傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊、能量供應等模塊構成（路由節(jié)點和協(xié)調節(jié)點可沒有傳感器模塊）。該硬件平臺的網(wǎng)絡節(jié)點采用TI公司Cortex?M3核的LM3S811，LM3S1138和LM3S9B96作為節(jié)點微控制器。無線收發(fā)模塊是由CC2420 芯片和相應的外部元器件封裝而成。

1.2 網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計

網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計框架如圖1所示。軟件底層采用的是μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)。

節(jié)點軟件的操作系統(tǒng)之上為ZigBee協(xié)議棧，通過這個協(xié)議棧實現(xiàn)樹簇的網(wǎng)絡結構。在網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計中，整個工程創(chuàng)建了多個用戶文件夾，分類存儲程序源文件。其中 μC/OS?Ⅱ的文件夾中存放的是μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)源碼相關文件，Stack文件夾中是有關 MsstatePAN協(xié)議棧的源碼等相關文件，Target文件夾中是程序目標代碼，Middleware文件夾中是一些中間件的代碼，主要包括微控制器外部接口的代碼實現(xiàn)等。LM3S DriverLib是TI公司提供的針對Cortex M3系列微控制器的驅動庫[1]。

1.3 通信協(xié)議幀設計

在建設過程中，為了方便其他設備對信息的識別和統(tǒng)一整個監(jiān)控網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀的格式，自定義用戶數(shù)據(jù)幀格式，具體數(shù)據(jù)位定義如圖2所示。

需要注意的是，接口數(shù)據(jù)是以ASCII碼形式傳送的， 一個字節(jié)型的整數(shù)需要兩個ASCII碼表示，因此以上數(shù)據(jù)都要轉換成字符串的形式，按照用戶自定義的數(shù)據(jù)幀與上位機 PC 進行數(shù)據(jù)通信。在組網(wǎng)過程中，根據(jù)用戶數(shù)據(jù)幀協(xié)議的約定，定義了3個特殊的數(shù)據(jù)幀提供給各節(jié)點，用于向上位機匯報組網(wǎng)狀態(tài)。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡的信息傳輸

ZigBee是一種面向自動控制的低傳輸率、低功耗、低價格、近距離的雙向無線網(wǎng)絡通信技術，基礎是IEEE 802.15.4，其三個工作頻段2.4 GHz，915 MHz和868 MHz是完全免費開放的。ZigBee的傳輸范圍依賴于輸出功率和信道環(huán)境，網(wǎng)絡節(jié)點間的傳輸距離可以從標準的75 m擴展到幾百米，甚至于幾千米。

2.1 ZigBee網(wǎng)絡的技術特點

與WiFi，Bluetooth，GPRS/GSM相比，ZigBee網(wǎng)絡具有成本低、體積較小、功耗低、易于擴展、感應性強等特點，適用于控制節(jié)點較多、傳輸量不大、覆蓋面相對較廣以及造價成本比較低的無線網(wǎng)絡應用系統(tǒng)中[2?3]。

2.2 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點的拓撲結構

根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡中設備的功能不同，IEEE 802.15.4把ZigBee網(wǎng)絡中的設備分為全功能設備（Full?Function Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設備（Reduced?Function Device，RFD）。根據(jù)設備在網(wǎng)絡中承擔的任務不同，ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點分為三種類型，即協(xié)調器節(jié)點ZC（ZigBee Coordinator），路由節(jié)點ZR（ZigBee Router）和終端節(jié)點 ZE（ZigBee EndDevice）[4]。

ZigBee以一個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、串（樹）狀、網(wǎng)狀等網(wǎng)絡拓撲結構。

2.3 ZigBee協(xié)議棧框架

完整的ZigBee協(xié)議棧由應用層、應用支持層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路、媒體接入層（MAC）和物理層（PHY）組成，協(xié)議棧中的每層都含有特定的功能和服務。中間層都為其上一層提供一系列特定的服務，其中每層的數(shù)據(jù)實體提供相對應的數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體負責其他配套服務。每層的服務實體通過相應接口與上一層進行數(shù)據(jù)交換，為上層提供數(shù)據(jù)傳輸服務。

2.4 MsstatePAN協(xié)議棧的移植

采用硬件平臺的收發(fā)功能主要通過Cortex?M3系列微控制器控制CC2420模塊實現(xiàn)，選用原PIC微控制器+CC2420的協(xié)議棧為模板。在對MsstatePAN協(xié)議棧的結構與工作機制大致了解的基礎上，修改硬件平臺有關驅動，順利在Keil和IAR的開發(fā)平臺上將MsstatePAN協(xié)議棧移植到了LM3S811，LM3S1138，LM3S4749，LM3S9B96等同系列目標開發(fā)板上。

LM3S811/9B96微控制器使用串口進行通信，需充分利用其提供的UART驅動函數(shù)，在程序中只需對 UART硬件資源進行簡單配置和初始化，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

3 物聯(lián)網(wǎng)的前端數(shù)據(jù)采集

本節(jié)主要介紹DS18B20溫度傳感器、SHT11溫濕度傳感器、MMA7260三維加速度傳感器、TSL230光頻轉換器和RFID等模塊。

3.1 DS18B20溫度傳感器

DS18B20是美國Dallas半導體公司推出的一款支持 “單總線”控制接口的溫度傳感器[5]。該傳感器溫度采集轉化后得到的12位數(shù)據(jù)存儲內部的兩個8位高速暫存器RAM，RAM中的第一個字節(jié)存放測量溫度數(shù)據(jù)的低8位，第二個字節(jié)存放數(shù)據(jù)的高8位。利用DS18B20特有的控制命令集進行操作，將數(shù)據(jù)正確讀入到微控制器，命令集分為ROM操作命令集和內存操作命令集。

設計中，基于TI的LM3S811/1138微控制器采用C語言程序來實現(xiàn)對DS18B20的操作，芯片采用默認的 12位采集數(shù)據(jù)模式，轉換的時間一般低于750 μs。實踐表明，單總線方式的溫度傳感器DS18B20具有控制簡單、易于擴展和成本低等優(yōu)點。同時，利用微控制器讀取傳感器數(shù)據(jù)的程序相對比較簡單，讀取的溫度值也相對比較精確。

3.2 SHT11溫濕度傳感器

SHT11是瑞士Sensirion公司推出的一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。該傳感器內部的測濕元件、測溫元件將監(jiān)控區(qū)域的濕度和溫度轉換成相對應的電信號，同時將產(chǎn)生的電信號輸入到信號放大器中，然后將放大的模擬電信號輸送至內部的A/D轉換器，轉化數(shù)據(jù)存儲在內部的寄存器中。傳感器經(jīng)過二根I/O數(shù)據(jù)線與微控制器進行通信，并將轉換數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

傳感器通過兩線串行接口和微控制器LM3S811/1138相連接，采用普通I/O與傳感器模塊相連，模擬SHT11芯片能識別的時鐘信號，并通過DATA數(shù)據(jù)線直接獲取采集數(shù)據(jù)，無需額外A/D轉換電路，大大簡化了傳感器和微控制器之間的硬件連接。

3.3 TSL230光頻轉換模塊

TSL230使用硅光二極管測量光照強度，具有響應快、穩(wěn)定性好等特點，廣泛應用于照相機曝光控制、舞臺燈光檢測、醫(yī)學光照診斷等領域。內部由光強采集、光/頻轉換、頻率信號處理三部分組成，外部由8引腳PDIP封裝。

3.4 MMA7260三維加速度傳感器

采用LQMMA7260模塊檢測物體的運動狀態(tài)。可以通過其本身提供的休眠模式來降低芯片功耗。具體方法為待傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，通過SLEEP引腳來控制MMA7260是否進入休眠，當SLEEP引腳接到低電平信號時，傳感器進入休眠模式，此時電流為3 μA；當SLEEP接到高電平信號時，傳感器便恢復工作。

采用LQMMA7260模塊與LM3S811微控制器進行連接，模塊的三路電壓分別與微控制器的A/D轉換輸入引腳相連，并采用ADC多通道采樣的方法對三路模擬數(shù)據(jù)進行模/數(shù)轉換。

3.5 校園一卡通的信息采集

設計一款讀卡器可以快速準確地讀取校園一卡通編號。讀卡模塊采用AK?RFMOD05CD芯片，讀卡器模塊將采集的卡片信息按照Wiegand數(shù)據(jù)協(xié)議標準傳輸，通過WD0和WD1引腳進行輸出。微控制器LM3S1138通過兩個I/O引腳對數(shù)據(jù)進行接收，其接口電路如圖3所示。讀卡器模塊的數(shù)據(jù)輸出引腳WD0和微控制器的PB0相連，WD1和PB1相連。

程序開始后，初始化PB0和PB1兩引腳為輸入方式，并設置為下降沿的中斷觸發(fā)，當兩根線上有低電平出現(xiàn)時，進入相應的中斷服務程序中接收Wiegan數(shù)據(jù)。在中斷服務程序中判斷觸發(fā)中斷的引腳編號和傳輸數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)存儲在用戶開辟的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。

使用數(shù)字式示波器對讀卡器的DATA0和DATA1線在協(xié)議位給出高電平時的波形圖進行截取和分析，讀卡器模塊選擇Wiegand26協(xié)議，將一張校園卡放置在讀卡器上，其中上側為WD0輸出信號線波形圖，下側波形為WD1輸出信號線波形圖，與韋根協(xié)議理論波形對比，得出該卡的Wiegand26數(shù)據(jù)為“00000110100010010100110 111”，數(shù)據(jù)波形與微控制器采集的數(shù)據(jù)保持一致。

4 信息的加密傳輸

數(shù)據(jù)加密的本質就是對明文（文件或數(shù)據(jù)）按照預定的方法進行特殊處理，使其變?yōu)闊o法進行直接可讀的一段代碼或亂碼數(shù)據(jù)。

針對加入網(wǎng)絡的節(jié)點，系統(tǒng)需要對申請入網(wǎng)的節(jié)點進行一個比較嚴格的入網(wǎng)認證。在網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸過程中，傳輸數(shù)據(jù)需要經(jīng)過高強度密碼算法進行加密處理，防止私有數(shù)據(jù)的竊聽，保證數(shù)據(jù)的可靠性傳輸[6]。

4.1 信息通信的數(shù)據(jù)加密

一般數(shù)據(jù)加密可通過無線通信網(wǎng)絡中的三個層次來實現(xiàn)，分別為鏈路加密、節(jié)點加密和端到端加密。

鏈路加密要求網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信中的數(shù)據(jù)必須是不可讀數(shù)據(jù)，包括路由信息、目的地址等數(shù)據(jù)。節(jié)點加密算法的操作方式與鏈路加密大體一致，在ZigBee通信鏈路上為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀提供安全保障。在整個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信過程中，端到端加密又稱脫線加密或包加密，用戶可以自行設計一些加密算法對數(shù)據(jù)幀中的負載數(shù)據(jù)進行加密，只有當目的網(wǎng)絡節(jié)點接收數(shù)據(jù)幀時，才通知本節(jié)點的上次去解密數(shù)據(jù)幀。

4.2 常用的無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)加密算法

Miracl庫是ShamusSoftwareLtd開發(fā)的一個基于大數(shù)運算的函數(shù)庫，是編寫密碼安全方面的程序所必備的一個算法模板庫，是當前應用比較廣泛的基于公鑰加密算法實現(xiàn)的大數(shù)庫之一。

RC5是由RSA公司的Rivest于1994年提出的一種新型的分組加密算法。結合TI公司的ARMCortex?M3系列微控制器的特點，由于該類型微控制器的存儲字長為32位，特設置該RC5算法的三個參數(shù)可定義為：字長為32位，加密輪數(shù)為12輪，密鑰長度為16 B，可用符號表示為RC5?32/12/16。

在加密系統(tǒng)中，首先創(chuàng)建密鑰組，在創(chuàng)建完密鑰組后，開始對明文數(shù)據(jù)進行加密。針對AES加解密算法，利用Miracl開源庫中的相關函數(shù)，編寫適應于微控制器的特定程序。其中節(jié)點進行AES加解密數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

5 上位機監(jiān)控軟件開發(fā)

5.1 監(jiān)控軟件總體設計

該監(jiān)控軟件采用Visual Studio系統(tǒng)平臺進行開發(fā)，利用現(xiàn)代計算機技術、數(shù)據(jù)通信技術、圖形學等技術，將分布于監(jiān)控區(qū)域的各類設備的運行參數(shù)和采集信息以文字、圖形、圖像等形式展示給用戶，實現(xiàn)監(jiān)控軟件的可視化控制，實現(xiàn)對遠程ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點設備的自動化控制。本系統(tǒng)監(jiān)控軟件的框架設計模型如圖5所示。

5.2 監(jiān)控軟件與協(xié)調器節(jié)點的數(shù)據(jù)通信

采用標準串口和USB兩種通信模式實現(xiàn)微控制器與監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)通信。

為了較好地完成串口通信任務，LM3S811/1138/9B96微控制器可以利用TI公司提供的驅動庫配置UART資源，然后通過調用UARTCharPut和UARTCharGet等函數(shù)來實現(xiàn)下位機串口數(shù)據(jù)的收發(fā)。上位機監(jiān)控軟件利用多線程串口編程工具CserialPort類進行開發(fā)，CserialPort是由RemonSpekeijse編寫的免費串口類，其內部函數(shù)完全透明，并允許對相關類的內容進行改造、補充和完善等[7]，其內部重要函數(shù)如表1所示。本文對CserialPort進行修改，以滿足系統(tǒng)的整體需求。程序設計中需要創(chuàng)建一個監(jiān)視線程負責監(jiān)視可用串口產(chǎn)生的各種信息。讀/寫串口操作需要WaitCommEvent和WaitForMultipleObjects等函數(shù)配合監(jiān)視線程共同完成。

一個典型的USB應用系統(tǒng)由USB設備、USB主機和USB電纜組成。在本課題中，協(xié)調器節(jié)點是USB設備，USB主機則是具有USB接口的計算機。上位機監(jiān)控軟件的USB數(shù)據(jù)通信需要調用TI公司提供的動態(tài)鏈接庫LMUSB.dll，程序可以采用顯式鏈接和隱式鏈接兩種方式調用LMUSB.dll動態(tài)鏈接庫。

在USB接口程序的設計中，首先利用設備管理器查看具有USB硬件資源的協(xié)調器節(jié)點的PID，VID和GUID等相關信息，然后加載動態(tài)鏈接庫LMUSB.dll。程序通過調用InitializeDevice函數(shù)初始化協(xié)調器節(jié)點設備，待初始化成功后，監(jiān)控軟件創(chuàng)建接收數(shù)據(jù)線程，線程中調用ReadUSBPacket（）函數(shù)去接收協(xié)調器節(jié)點設備發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。在使用完USB設備后，需要通過調用TerminateDevice函數(shù)釋放USB設備。

待完成數(shù)據(jù)通信以后， 上位機軟件需要創(chuàng)建專門的線程用于接收協(xié)調器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀。 然后根據(jù)自定義的數(shù)據(jù)幀格式， 編寫專門的函數(shù)對接收的數(shù)據(jù)幀進行解析，然后將數(shù)據(jù)分類存儲在相對應節(jié)點設備的結構體中。 用戶可以自定義網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)據(jù)幀發(fā)送周期，監(jiān)控軟件根據(jù)預先設定的周期內是否收到該節(jié)點的數(shù)據(jù)幀去判斷其在網(wǎng)絡中的組網(wǎng)狀態(tài)。

5.3 繪圖模塊

本節(jié)中將部分終端節(jié)點采集的信息以曲線等形式顯示出來。本軟件選用TeeChartPro作為圖表、圖形控件，它和Visual Studio平臺具有較好的兼容性。它提供了上百種2D和3D圖形風格、40余種數(shù)學統(tǒng)計功能以及20余種圖標操作工具等，圖6為添加TeeChart控件類的步驟圖。

5.4 ZigBee組網(wǎng)功能測試

在整個測試過程中，終端節(jié)點負責采集檢測區(qū)域的數(shù)據(jù)，并按照自定義的數(shù)據(jù)幀格式進行封裝，然后發(fā)送至協(xié)調器節(jié)點；協(xié)調器節(jié)點主要負責創(chuàng)建和維護網(wǎng)絡，并將收集的幀發(fā)送至上位機監(jiān)控軟件。監(jiān)控軟件能夠對各個網(wǎng)絡節(jié)點的組網(wǎng)狀態(tài)進行有效判斷，路由節(jié)點和終端節(jié)點可以根據(jù)實際需要定時地向協(xié)調器節(jié)點發(fā)出成功組網(wǎng)狀態(tài)標志數(shù)據(jù)幀。

本節(jié)選用LM3S9B96作為微控制器的網(wǎng)絡節(jié)點，或者整個測試網(wǎng)絡的協(xié)調器節(jié)點，以LM3S811/1138作為微控制器的網(wǎng)絡節(jié)點，終端節(jié)點或者路由節(jié)點。對協(xié)調器節(jié)點建立網(wǎng)絡的過程、終端節(jié)點加入網(wǎng)絡的過程、樹型拓撲網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了檢測，選擇樹型拓撲網(wǎng)絡系統(tǒng)測試進行詳細說明。

當協(xié)調器節(jié)點組建網(wǎng)絡，把編寫好的路由節(jié)點程序下載到編號為一號和二號的路由器節(jié)點上，然后逐個按下開發(fā)板上的Reset按鍵，等待其加入網(wǎng)絡。如果路由器節(jié)點成功組網(wǎng)后，并向協(xié)調器節(jié)點發(fā)送路由器成功組網(wǎng)標志數(shù)據(jù)幀，監(jiān)控軟件接收到該數(shù)據(jù)幀后，該路由節(jié)點設備相對應的組網(wǎng)圖標為綠色（紅色表示未加入網(wǎng)絡）；然后依次上電復位編號為1～5的傳感器采集節(jié)點，待節(jié)點成功加入網(wǎng)絡后，監(jiān)控軟件根據(jù)相關數(shù)據(jù)形成檢測ZigBee網(wǎng)絡拓撲圖。根據(jù)形成的網(wǎng)絡拓撲圖可知，共計有1個協(xié)調器節(jié)點、2個路由器節(jié)點、5個終端節(jié)點共同組成此時的ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡。

6 結 論

本設計移植精簡版ZigBee協(xié)議棧到TICortex?M3系列微控制器上，實現(xiàn)了組網(wǎng)功能。成功移植μC/OS?Ⅱ操作系統(tǒng)，使協(xié)調器上的任務運行于μC/OS?Ⅱ之上，為以后協(xié)調器節(jié)點的功能擴展奠定軟件基礎。對基于ZigBee無線網(wǎng)絡的短距離物聯(lián)網(wǎng)進行了進一步的研究，編寫上位機監(jiān)控軟件實時監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡。監(jiān)控軟件通過串口和USB通信接口接收用戶自定義的數(shù)據(jù)幀，然后解析與分類存儲相關數(shù)據(jù)，并及時更新網(wǎng)絡節(jié)點運行狀態(tài)與節(jié)點采集數(shù)據(jù)等信息。

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