基于4G的無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)研究

王楊 陳志亮 侯紅霞 鄭碧華

摘 要 本設(shè)計擬結(jié)合4G移動通訊技術(shù)，研究開發(fā)新一代的WSN數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)，旨在更經(jīng)濟(jì)、更快速、更有效地滿足遠(yuǎn)程監(jiān)測的需求，擴(kuò)大WSN技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本項目能將WSN與4G通信技術(shù)有效結(jié)合。

關(guān)鍵詞 4G通信技術(shù)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)路線

中圖分類號 TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）213-0106-02

1 項目的研究目的和意義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN ）是一種以傳感器、無線通信和計算機(jī)應(yīng)用等科學(xué)技術(shù)為依托的新興計算模式，由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通信方式協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)。WSN以其自身的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用，可應(yīng)用在軍事及民用等許多領(lǐng)域，例如敵情偵察、環(huán)境監(jiān)測等方面。WSN被美國《技術(shù)評論》列為對人類未來生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新技術(shù)之一，由此成為一個新興的前沿研究熱點。

本項目主要對基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的WSN信息遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)進(jìn)行研究，目的是為了尋求一種高效經(jīng)濟(jì)、適用于較大數(shù)據(jù)量的遠(yuǎn)程傳輸方式。目前，對于基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的WSN數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，盡管有很多廠商和研究者進(jìn)行研究，但大多都處于起步階段，還不成熟，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)。本課題分析并研究如何有效利用4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的低成本高效傳輸，并在數(shù)據(jù)的正確性、完整性方面進(jìn)行保障，以滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)或無internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域下WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸要求，完成對WSN覆蓋區(qū)域的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測任務(wù)。本項目能將WSN與4G通信技術(shù)有效結(jié)合，在需要遠(yuǎn)程實時監(jiān)測給定區(qū)域的實際應(yīng)用中具有重要經(jīng)濟(jì)價值。

2 研究現(xiàn)狀

中國WSN研究首次正式出現(xiàn)于1999 年中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程點領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，并成為報告中的五大重點項目之一。2001年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院WSN的相關(guān)工作。2005年，將WSN基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入重點研究計劃。2006年將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點研究項目。國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)（CNGI）示范工程中，也部署了WSN相關(guān)的課題。在一份我國未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域157項技術(shù)課題中有7項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。

近年來，隨著實際應(yīng)用需求的變化及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸?shù)玫搅嗽絹碓蕉嗟年P(guān)注。目前，國內(nèi)外對WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸研究取得了一定的成果，主要是利用Zigbee模塊構(gòu)建WSN網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)收集，然后使用GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。GPRS運行費用較低但帶寬有限，當(dāng)WSN數(shù)據(jù)量較大的情況下，該數(shù)據(jù)傳輸方式就無法勝任。

3 研究內(nèi)容

3.1 構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)

制作多個智能化微節(jié)點，使其集信息傳感、數(shù)據(jù)級信息融合和無線通信等功能于一體。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建由多個智能化微節(jié)點組成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該研究內(nèi)容主要是為WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸提供設(shè)備支持，主要涉及節(jié)點的自定位、節(jié)點傳感數(shù)據(jù)的采集和WSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)匯集。

3.1.1 溫濕度檢測模塊的選型

方案一：數(shù)字式溫度傳感器一般選擇的是在目前很多工農(nóng)業(yè)場合很多采用DS18B20作為系統(tǒng)測溫元件，由于該測溫元件輸出信號是數(shù)字信號，它能很好的與微控制器進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)傳輸，且該測溫元件的外圍電路要求很簡單，穩(wěn)定性也相對不錯，能很大程度上簡化硬件電路的設(shè)計，但是其檢測范圍僅限于溫度測量，檢測功能比較單一，得需要搭配濕度檢測元件才可以滿足本設(shè)計的設(shè)計理念，所以說，該器件不適和應(yīng)用該系統(tǒng)的設(shè)計。

方案二：能同時輸出溫度與濕度的傳感器叫做DHT11溫濕度傳感器，它是數(shù)字式傳感器，并且它的輸出信號是已經(jīng)預(yù)先校準(zhǔn)后的。該傳感器內(nèi)部采用的是專門應(yīng)用的溫濕度傳感技術(shù)，這樣就能夠確保傳感器保持穩(wěn)定運行工作。DHT11溫濕度傳感器的傳輸方式是單總線，最遠(yuǎn)傳輸距離為50m，具有很多優(yōu)點尤其是體積小的優(yōu)點和能耗低的特性。

以上兩種方案對比，最終選擇了方案二作為本系統(tǒng)的溫濕度檢測器，因為DHT11溫濕度傳感器的功能要比方案一強(qiáng)大許多，所以最終選擇方案二。

3.1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選型

方案一：目前使用藍(lán)牙模塊傳輸數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)傳輸過程中最常見的傳輸方式，藍(lán)牙的傳輸距離在10m以內(nèi)。如果需要傳輸?shù)綆资祝敲此{(lán)牙模塊就要加相應(yīng)的功率放大器件。這就給測量帶來了麻煩與不便，而且藍(lán)牙的穩(wěn)定性與抗干擾性都比較低，容易出現(xiàn)中斷連接不上等問題。因此該項技術(shù)還得需要在實際應(yīng)用上考驗。

方案二：NRF24L01無線通訊模塊是目前通用的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器芯片。NRF24L01的通訊協(xié)議為SPI，工作頻率在2.4GHz～2.5GHz之間，NRF24L01無線通信模塊是通過軟件程序來對通訊通道以及輸出的功率進(jìn)行一系列的合理配置，其內(nèi)部還包含了多種的功能模塊，包含了功率放大器、振蕩器、解調(diào)器以及頻率合成電路等，穩(wěn)定性非常的強(qiáng)并且還有一個特點就是編程起來方法十分的簡單。

以上兩種方案對比，最終選擇了方案二作為本系統(tǒng)的無線傳輸模塊，NRF24L01無線傳輸模塊與藍(lán)牙模塊相比較，有非常強(qiáng)的抗干擾性能，穩(wěn)定性和安全性都是藍(lán)牙模塊所比及不了的。所以本設(shè)計的無線傳輸模塊最終選用了NRF24L01芯片。

3.1.3 系統(tǒng)供電電源的選型

方案一：單相變壓器將交流220V的交流電降壓到交流12V之后，再通過由單向不可控的二極管所搭建的橋式整流電路進(jìn)行整流工作，經(jīng)過整流后的電壓將經(jīng)過7805三端集成穩(wěn)壓芯片變成5V之后與電容濾波電路繼續(xù)進(jìn)行對它的電壓處理工作。該芯片的3號腳可將整流后的12V電壓通過穩(wěn)壓芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓整流電路轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓傳輸給系統(tǒng)供電。

方案二：電源適配器元件，它的輸出電流較為穩(wěn)定而且其內(nèi)部電路功耗較低，穩(wěn)定性也相對較好，攜帶比較方便。

以上兩種方案對比，最終選擇了方案一作為本系統(tǒng)的供電方式，因為方案一在整個電路搭建過程十分的簡單，可以鍛煉一下自己的動手操作能力。

3.2 研究用于WSN數(shù)據(jù)收集和發(fā)送的3G網(wǎng)關(guān)設(shè)備

網(wǎng)關(guān)設(shè)備的性能直接關(guān)系到數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)挠行院蛯崟r性。本項目中網(wǎng)關(guān)設(shè)備基于4G通訊技術(shù)。4G通訊技術(shù)是當(dāng)前越來越廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)，其通訊性能除了可以滿足常見的數(shù)據(jù)通訊需求，還可以滿足視頻等巨量信息的實時遠(yuǎn)程傳輸。本研究內(nèi)容為設(shè)計與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，為下一步開發(fā)基于4G通訊技術(shù)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。

3.3 開發(fā)基于3G通訊技術(shù)的WSN數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

基于3G通訊技術(shù)的WSN數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)能夠使WSN收集的信息（尤其是視頻數(shù)據(jù)）以實時在線方式得到遠(yuǎn)程監(jiān)測，滿足相應(yīng)的應(yīng)用需求。本研究內(nèi)容主要涉及智能移動設(shè)備上運行的應(yīng)用程序開發(fā)，WSN數(shù)據(jù)的加密/解密、校驗、快速壓縮/解壓縮算法的研究等。

4 技術(shù)路線

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建

項目中使用的無線傳感器節(jié)點載有多種傳感器，擬包括溫度、濕度，以及視覺傳感器，滿足一般應(yīng)用需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，首需解決的問題有無線傳感器節(jié)點的定位、數(shù)據(jù)包的路由等。無線傳感器節(jié)點定位算法有質(zhì)心算法（Centroid Algorithm）、DV-Hop算法（Distance Vector-Hop）等。研究擬在具體應(yīng)用環(huán)境下對兩種定位算法進(jìn)行實驗對比，選用適用本系統(tǒng)的定位算法。數(shù)據(jù)包的路由算法擬選用魯棒性較高的位置蹤跡輔助路由協(xié)議LOTAR（Location Trace Aided Routing）。

4.2 基于3G通訊技術(shù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計

利用3G通訊技術(shù)實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備花費少量費用即可充分利用現(xiàn)有的3G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行巨量數(shù)據(jù)的收發(fā)，與通常利用GPRS實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備相比具有很大優(yōu)越性。本項目將設(shè)計與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，擬采用以ARM7芯片為核心，與無線射頻芯片及其他模塊組成硬件系統(tǒng)。

4.3 WSN數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測程序開發(fā)

基于廣泛用于智能移動設(shè)備開源的Android微操作系統(tǒng)，開發(fā)適用于智能移動設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)測程序。Android以Linux2.6為核心，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且不存在使用版權(quán)費用問題，是目前廣泛應(yīng)用的微操作系統(tǒng)。Android操作系統(tǒng)下可支持java和C++程序開發(fā)。Java語言是該操作系統(tǒng)下的常用開發(fā)語言，具有使用方便，開發(fā)周期較短等特點；C++語言開發(fā)周期較長，但獲得的應(yīng)用程序所需存儲空間較小，運行速度較快。項目中擬選用C++進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測程序開發(fā)，以使開發(fā)出的應(yīng)用程序具有較高的代碼效率和運行速度，滿足視頻等巨量數(shù)據(jù)的實時處理。

參考文獻(xiàn)

[1]郭智源，韓建，等.基于STM32的PID和PWM溫度控制系統(tǒng)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（6）：3805-3807.