基于無線傳感網的物聯網應用技術研究

清華大學合肥公共安全研究院 汪曙光 許令順 郭 志 方明英

基于無線傳感網的物聯網應用技術研究

清華大學合肥公共安全研究院 汪曙光 許令順 郭 志 方明英

隨著物聯網產業的迅猛發展，物聯網接入的設備急劇增多，在很大程度上滿足了業務系統需求的同時，也給業務系統訪問底層物聯網設備造成極大困難。這一困境嚴重阻礙了物聯網產業的進一步發展。本文從當前物聯網的應用背景出發，以物聯網與無線傳感網的關系為全文的切入點，分析了無線傳感網絡的基本原理和結構，總結了近年來國內在無線傳感網和物聯網領域的主要研究成果。為了闡明無線傳感網在物聯網中的應用原理，本文還設計了一套基于無線傳感網絡的物聯網數據采集系統，系統的總體設計方案進行了詳細闡述，確定了系統實現的總體架構、關鍵技術和系統各模塊的實現方案；提出了物聯網應用平臺的總體層次結構，對系統進行了功能實現。本文的研究為無線傳感網在物聯網領域的應用提供了有益的借鑒。

物聯網；無線傳感網；C/S 架構；數據采集

0 前言

物聯網是近年興起的朝陽產業，它正在慢慢地改變人們的生活，也逐漸成為國家的重要發展戰略，在智能交通、智能家居、農業監測、智能監控、環境監測等領域有著極為廣泛的應用。物聯網采用傳統網絡將各種設備聯系起來，以實現上層應用的業務需求。但是現有的通信網絡相對比較龐雜，造成物聯網的結構復雜、部署與維護成本高，各業務系統很難實現數據與資源共享，從而不利于互聯網的進一步發展。為此，必須構建一個高效、健壯、安全、易用的、基于無線傳感網的物聯網應用平臺，以減少開發成本，提高開發效率，降低開發風險，這對物聯網的研究與應用具有十分關鍵的作用。

1 物聯網與無線傳感網

20世紀末，MIT Ash-ton 教授首次提出“物聯網”的概念。物聯網（The Internet of Things，IoT）是繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第三次革命。從射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的角度上看，物聯網實際上是一種基于互聯網和RFID技術發展的網絡，實現了“物與物”、“人與物”之間的信息獲取、融合、傳播和共享。從傳感網應用的角度看上，物聯網則是由傳感器、數據處理單元和通信單元等節點通過自組織的方式構成的無線網絡[1]。綜上所述，物聯網的定義可以歸納為：所有物品通過射頻識別等信息傳感設備與互聯網連接起來，實現智能化識別和管理的網絡。

在物聯網的世界里，任意物體都有一個獨一無二的識別碼，無論何時何地都能與其它任意物體互聯。與互聯網相比，物聯網的重大突破在于它可以將真實的物理世界與虛擬的信息世界融合在一起。物聯網與無線傳感網雖然都與網絡有關，但他們是兩個不同的概念，有著很大的區別。物聯網的應用是一種針對性極強的實際應用，一句話就是“物物相聯”的對物應用。無線傳感網與物聯網最根本的不同在于它立足一個地地道道的無線通信協議，而且利用傳感器作為節點。無線傳感網就其作用而言可以看作是一種小規模互聯網，涉及的是一種物理信號檢測傳輸的手段，應用并無特別的針對性。為了達到物物相聯的目的，同時避免布線的成本與復雜度，物聯網就必須具備物理環境信息采集和傳輸的功能，這就需要用到無線傳感網了。無線傳感網是物聯網的主要末端對接形式。

2 無線傳感網的基本結構

無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN）主要由傳感器節點、匯聚節點和管理節點三大模塊組成[2]。傳感器節點就是終端的感知單元，用于采集各種物理量，它的體積較小，通常內置有微型操作系統，但數據處理能力非常有限，節點能量由電池提供；匯聚節點的作用是對整個網絡進行協調控制，因此要求具有較強的數據處理能力，匯聚節點不但具有一般傳感器網絡節點功能，還集成了通用串行接口模塊來完成傳感器網絡的擴展功能，負責無線傳感網絡與互聯網之間的協議轉換，完成與采集終端的通訊和數據傳輸；管理節點可以對各傳感器節點進行控制和管理，使整個網絡處于正常工作狀態。

無線傳感器網絡與傳統網絡之間的有著很大的差異。首先，無線傳感器網絡的傳感器節點分布密集、數量巨大、拓撲結構復雜、工作在開放式空間中。其次，無線傳感器網絡主要采用無線通信方式、廣播通信體制和事件觸發工作方式。再次，無線傳感器網容錯性強、自適應能力好、動態性高等特點。最后，各傳感器節點具有很強的自組織能力，可以根據實際情況進行互相協調，組網形式非常靈活。因此，無線傳感器網絡系統比傳統的網絡更容易實現數據采集自動化、控制自動化和信息發布自動化。

3 無線傳感網在物聯網中的應用現狀

由于無線傳感網的眾多優勢，其在物聯網中的地位日益得到體現，相關的學者、工程技術人員和科研單位也紛紛投入經費開展研究。到目前為止，無線傳感網在物聯網中的應用在國內已有不少成果，在網絡接入、農情監測、能量均衡、醫療監控、智能家居等方面得到了廣泛的應用。

為了實現物聯網無所不在的接入要求，華東師范大學提出了一種基于蜂窩網絡與無線傳感網絡融合的物聯網。文獻認為現有接入技術中，只有蜂窩網絡能實現無所不在的接入，提出蜂窩網絡與無線傳感網融合技術中的一些通用功能，為蜂窩網絡與無線傳感網的融合提供一個可參考的共享功能模塊[3]。

昆明理工大學開發了一套基于物聯網和無線傳感器網絡技術的農情監測系統，融合了地理信息系統、遙感及衛星定位系統等相關技術，實現對環境指標的全天候監測和數據遠程傳輸，對實現精準農業提供了重要、有效手段，具有十分重要的市場價值和應用前景[4]。

大連理工大學針對物聯網中傳感器節點能量受限的問題，基于磁諧振耦合式無線能量傳輸技術，提出了一種基于無線能量傳輸的能量均衡路由算法，從一個新的方向來研究物聯網能量均衡問題[5]。

內蒙古科技大學提出了一種基于物聯網技術的無線醫療監控系統設計方案，采用了高精度、可攜帶的醫療傳感設備對病人身體狀況進行實時監控，同時提出模糊雙曲線定位算法，在醫療方面有廣闊的應用前景[6]。

西安工程大學提出了基于無線物聯網的智能家居監控系統的概念，將Zigbee、嵌入式和GPRS等多種物聯網相關技術結合在一起，提出了一套全新的物聯網智能家居解決方案[7]。

4 無線傳感網在物聯網中的應用舉例

為了闡明無線傳感網在物聯網中的應用原理，本文設計了一套基于無線傳感網絡的物聯網數據采集系統。

4.1 系統總體設計

本系統以制造企業的生產監控為應用環境，其主要工作原理如下。首先，工廠中安裝了視頻設備和大量傳感器，用于采集關鍵生產設備的實時工作狀態參數和運行圖像信息，然后通過無線傳感器網絡把采集到的各類數據傳送到服務端。通訊方式采用移動GPRS網絡，通過TCP協議發送數據包，服務端接收到數據后立即存入本地數據庫，同時進行數據統計與分析，通過預設參數對數據進行比對檢查，以識別設備動作的故障信息或有可能出現的風險。一旦發現故障信息或者有出現故障的可能性，立即做出告警，告警信息通過短信的方式發送到管理人員的手機上，提醒管理人員及時處理，以避免事故造成的經濟損失。

根據上述工作過程，本文將整個系統架構分成了四個層次：應用層、數據存儲控制層、數據鏈路層和傳輸層，如圖1所示。本方案的設計具有很多優勢。首先，實現了層與層之間的分離，可以更好地把程序邏輯集中在每一層的關注點，同時保證了層與層之間協議和API 的完整性與有效性，使開發人員可以將注意力集中于層內，而非層間。其次，實現了系統功能和邏輯層的模塊化，使各層之間的邏輯都相互獨立，當某一層需求有變動時，無論在層內做多大的修改，只要保證與鄰層的 API 不變，那么對其他層將不產生任何影響。這對于開發效率的提升有很重大的意義。再次，分層的設計思想進一步降低了系統間的耦合性。每一層的目的明確，若日后有類似項目需求，可以逐層選擇性復用。這點非常符合計算機軟件的開發過程中的松散耦合原則，代碼復用率得到很大的提升。最后，為了實現傳輸協議的健全性和穩定性，本文對層與層之間的協議設計進行了優化，避免了當層與層之間的 API 變動時對系統產生的負面影響。

圖1 基于無線傳感網的生產監控系統分層設計方案

4.2 系統詳細設計

本系統的采集端負責生產現場的各類關鍵參數采集，這些數據主要包括攝像頭的實時圖像和各傳感器的設備狀態信息，采集到的數據通過 GPRS 實時傳輸到系統服務器。本系統的所有數據都是通過無線傳感器網絡傳輸出去的。總之，環境數據通過環境傳感器節點采集。通過 Zig Bee 局域網絡協議組成無線傳感器網絡進行數據的采集，并通過匯聚節點融合數據。數據融合完成后，網關將往物聯網網關發送數據的工作準備就緒。

4．2．1 匯聚節點

現場的數據傳感器分布在各個角落，分別采集自己對應的數據，并獨立進行工作。但是這些零散的數據需要進行匯總，并且各傳感器之間需要有一個協調者進行工作指揮，這種用于調協的環節就是匯聚節點。本系統的匯聚節點可以匯聚所有傳感器的數據，進行格式化后通過網絡將數據傳輸出去。

4．2．2 拓撲結構

網絡拓撲結構就是網絡中的硬件設備相連的形式。拓撲結構一般可以分為：星型、環型、總線型等。由于本系統的各傳感器節點間是獨立工作的，相互之間不產生影響，系統性能和可靠性都非常高，但是對網絡延遲要求較嚴格。基于以上分析，本系統采用了星型拓撲結構。

4．2．3 數據鏈路層

數據鏈路層承載的是物聯網網關。物聯網網關在整個框架中的作用十分突出，它向上連接了感知網絡，實時收集來自下層的感知數據，向上又與傳統的通信網絡進行傳輸。因此，物聯網網關起到了連接上下兩層的中間層作用，實現不同網絡形式之間的協議轉換。在本系統采用了TQ6410 嵌入式開發板，它可以很好地與硬件設備和網絡進行對接，功能非常強大。TQ6410從傳感器節點接收無線網絡層傳輸過來的各種數據之后，再由GPRS Modem通過 PPP撥號上網的方式，采用 TCP/IP 協議將所有數據發至服務端，通過GPRS網絡發送數據至中央數據中心進行下一步的處理。

4．2．4 數據存儲控制層

數據存儲控制層直接與服務器進行對接工作。首先必須進行監聽端口的預設，物聯網網關發來的所有數據都將通過該端口進行傳輸，其它端口將收不到任何有用的數據。數據接收后，將進行實時的存儲、處理以及展示。同時根據系統預設參數對數據進行分析，一旦發現異常數據，將立即生成預警信息，并通過短信的方式發送給用戶。

4．2．5 服務端架構設計

服務端作為數據的處理中心，具備高可靠性、可擴展性、可伸縮性、動態配置等特點。本系統采用了傳統的客戶機和服務器結構（C/S 架構）。客戶機采用WPF編程，帶有可視化操作界面。服務端的功能主要有監控數據管理、監控硬件信息管理、監控結果管理以及對系統進行操作的相關管理，用戶可以很方便地對數據的接收與存儲、管理與顯示、預警回饋。

4．2．6 應用層

應用層主要由各種用戶設備構成，它的作用是為用戶展示數據，并與用戶進行交互。用戶可以通過手機、電腦等終端設備與系統底層進行交互。

5 總結

本系統在無線網絡層中采用了無線傳感器網絡技術，將多種傳感器數據進行了封裝處理，由匯聚節點傳輸給物聯網網關。物聯網網關采用了TQ6410 嵌入式開發板，將數據從匯聚節點接收并發送至服務端。數據傳輸采用了GPRS 通信協議。整個系統實現了環境數據多樣化和無線傳輸實時化。本文所設計的系統經過三個月的試運行，各節點工作狀態正常，數據完整，數據傳輸可靠，基本完成了各項設計功能，用戶體驗良好，這說明本文的設計是合理的。無線傳感器網在物聯網中的應用可以為整個系統的性能提升和構架優化提供很好的條件。本系統具有廣闊的應用前景。

物聯網改善了人類生活，也促進了國家信息基礎建設，有力推動了國家信息化步伐。隨著物聯網技術的進一步發展，物聯網的未來也將面臨著無數的機遇與挑戰。不難預料，物聯網的研究重點將是解決通信距離短、受外部環境影響大、異構網絡兼容、數據安全傳輸、超大網絡管理等問題，并逐漸形成完整的標準體系。

[1]薛衛強．基于物聯網的無線環境監測系統設計與軟件的實現[D]．燕山大學,2013．

[2]物聯網無線應用分析[J]．電子技術應用,2011,37(01)：24-25．

[3]譚路．物聯網探索—蜂窩網絡與無線傳感網絡融合問題[D]．華東師范大學,2011．

[4]段有艷．基于物聯網(無線傳感器網絡)技術的農情監測系統研究[D]．昆明理工大學,2015．

[5]邱一騰．基于無線能量傳輸的物聯網能量均衡策略研究[D]．大連理工大學,2013．

[6]錢志鴻,王義君．面向物聯網的無線傳感器網絡綜述[J]．電子與信息學報,2013,35(01)：215-227．

[7]劉學彬．基于無線物聯網的智能生態家居控制系統研究與設計[D]．西安工程大學,2011．

汪曙光（1978—），男，安徽潁上人，博士，副教授，研究方向：公共安全。