基于Contiki的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)支撐系統(tǒng)

朱廣華 華江峰 徐頔

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714126

摘要：本文基于MX231CC平臺(tái)和USBStick平臺(tái)，采用Contiki嵌入式操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了適用于目的環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的支撐系統(tǒng)。敘述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案、軟硬件架構(gòu)以及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。從技術(shù)角度為需要實(shí)時(shí)周邊生產(chǎn)環(huán)境信息的產(chǎn)業(yè)提供生產(chǎn)管理決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Contiki；環(huán)境監(jiān)測(cè)；異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種新穎的信息獲取和處理方式，它集成無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)等。傳感器節(jié)點(diǎn)間可以合作地感知和采集各種監(jiān)測(cè)對(duì)象參數(shù)或環(huán)境的信息，并反饋給用戶。用戶可以依據(jù)反饋數(shù)據(jù)制定生產(chǎn)管理策略，從而提高生產(chǎn)率，并降低因生產(chǎn)環(huán)境驟變帶來的損失。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

筆者所設(shè)計(jì)的此環(huán)境監(jiān)測(cè)支撐系統(tǒng)，目的是能夠在任何地理位置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的環(huán)境參數(shù)。整個(gè)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的概念設(shè)計(jì)，其中涉及到傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無線通信技術(shù)等[1]。系統(tǒng)通過采用無線傳感器，完成實(shí)時(shí)感知周圍環(huán)境參數(shù)，這些數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送至服務(wù)端進(jìn)行持久化。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)模型分析

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面上可以將本系統(tǒng)分為三部分：應(yīng)用層、傳輸層以及感知層[2]。應(yīng)用層負(fù)責(zé)請(qǐng)求數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)持久化以及數(shù)據(jù)發(fā)布。傳輸層涉及到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要完成自組織多跳網(wǎng)絡(luò)初始化、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸。感知層涉及底層的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，主要完成響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求和數(shù)據(jù)采集。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)支撐系統(tǒng)包括基于Contiki的傳感器節(jié)點(diǎn)模塊、傳輸網(wǎng)關(guān)模塊、上層數(shù)據(jù)管理軟件。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)按照IEEE802.15.4協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)解析出相關(guān)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給上層支撐軟件，支撐軟件將數(shù)據(jù)持久化，進(jìn)而為遠(yuǎn)程的客戶端提供數(shù)據(jù)請(qǐng)求支持。

3 傳感網(wǎng)硬件

3.1 感知層節(jié)點(diǎn)

MX231CC是SmeshLink推出的面向Contiki和6LoWPAN開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，工作在2.4G頻段，采用序列擴(kuò)頻技術(shù)，具有較好的抗干擾能力，MX231CC無線節(jié)點(diǎn)具備較大的RAM空間特性，能夠適合Contiki開發(fā)中較大規(guī)模組網(wǎng)的要求[3]。

MX231CC上運(yùn)行的是Contiki操作系統(tǒng)，節(jié)點(diǎn)上電時(shí)，會(huì)啟動(dòng)一個(gè)HTTP進(jìn)程，使得節(jié)點(diǎn)上部署一個(gè)基于REST風(fēng)格WEB服務(wù)器[4]。Contiki內(nèi)核通過輪詢機(jī)制和任務(wù)搶占機(jī)制完成對(duì)進(jìn)程的調(diào)度。

3.2 傳輸層網(wǎng)關(guān)

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)關(guān)是USBStick，其基于Contiki系統(tǒng)，并集成RPL路由協(xié)議。USBStick用于連接節(jié)點(diǎn)與傳感網(wǎng)絡(luò)外部設(shè)備，使用的平臺(tái)是mxusbstick。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)在串口硬件上通過SLIP（Seerial Line Internet Protocol）協(xié)議傳輸IP數(shù)據(jù)報(bào)文[5]。網(wǎng)關(guān)模塊實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，具體到本系統(tǒng)是完成TCP/IP協(xié)議棧到6LoWPAN協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換[6]。網(wǎng)關(guān)模塊與PC終端間的交互最終依據(jù)SLIP協(xié)議實(shí)現(xiàn)，此協(xié)議將網(wǎng)關(guān)模塊虛擬成一塊IPV6網(wǎng)卡，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，Contiki系統(tǒng)中通過tunslip6腳本實(shí)現(xiàn)SLIP協(xié)議功能。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)支撐系統(tǒng)適用于需要進(jìn)行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的產(chǎn)業(yè)中，且底層節(jié)點(diǎn)支持功能擴(kuò)展，可以根據(jù)具體需求集成其它類型的傳感器。本次實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，可以達(dá)到數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)持久化至數(shù)據(jù)庫(kù)的目的。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)：

支撐軟件主要用來通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)向傳感器節(jié)點(diǎn)定時(shí)發(fā)送HTTP請(qǐng)求，并解析HTTP響應(yīng)中的XML格式數(shù)據(jù)，最后完成持久化數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，完成節(jié)點(diǎn)信息的錄入和更新。

利用IE9瀏覽器訪問節(jié)點(diǎn)后返回的XML格式的數(shù)據(jù)如圖1所示，其中Light標(biāo)簽表示實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度，Temperature標(biāo)簽表示實(shí)時(shí)攝氏溫度值，Voltage標(biāo)簽表示傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)電量。支撐軟件運(yùn)行如下圖2所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐，為生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供了決策依據(jù)，從而使得生產(chǎn)管理更為科學(xué)化、規(guī)范化，進(jìn)而提高生產(chǎn)率，降低因生產(chǎn)環(huán)境驟變帶來的損失。系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì)，因此可以根據(jù)需求在數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上搭載其他的傳感器設(shè)備，從而為監(jiān)測(cè)其它環(huán)境參數(shù)提供功能擴(kuò)展的可能。不過，由于硬件平臺(tái)一般沒有統(tǒng)一的接口，那么如果需要進(jìn)行功能擴(kuò)展，勢(shì)必要進(jìn)行二次開發(fā)。

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