多重無線異構網絡的智能云控制系統的設計

巫肇彬 覃銘淼 何長珊

摘 ? 要：介紹一個多重無線異構的云控制系統，該系統主要包括云端服務器、網關和眾多終端節點，集成了ZigBee、WiFi、GSM等通信協議，實現不同協議之間的數據異構融合，將其應用于各種不同的復雜環境，實現對復雜環境的智能化監控.在本文中，以智慧家庭為例，搭建硬件實驗平臺構建智能化監控系統.其中，前端構建ZigBee星型網絡進行數據采集，網關對不同制式的協議統一封裝，實現異構網絡共性融合;云端服務器對來網關的數據進行統一處理，并對終端節點進行智能控制.實驗結果表明，智慧家庭中不同制式的異構網絡數據無縫銜接，云服務器與采集終端實現了信息交互，對家庭設備進行了智能化控制.因此，該系統具有很強的實用性、可靠性好、穩定性高、操作簡單，可用于車聯網、智慧家庭、智能農業等領域.

關鍵詞： 無線異構;云控制系統;融合

中圖分類號：TN926;TP273 ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.005

引言

現有的各種無線通信系統中，采用單一的無線網絡制式很難同時在傳輸距離、傳輸速度、功耗等方面滿足需求多樣化的智能系統要求.未來的發展必然是多種無線接入技術共存、相互補充、共同發展[1].多重無線異構網絡是一種新型網絡，可以最大程度地利用現有的各種通信技術的優勢，通過系統內統一封裝，實現無線異構網絡的異構融合，降低成本，使系統性能都有質的提高[2].采用不同的接入手段，根據產品的需求，通過協議轉換技術和數據融合技術，實現無線異構網絡中數據的重組與異構融合[3]，使得不同的協議有機結合在一起.無線異構融合基本功能主要是將各種不同協議、不同制式的數據包轉換成接收方所能識別兼容的格式，實現跨網傳輸，達到多重異構網絡的無縫切換的目的.核心部分主要是利用網關對來自不同協議的數據進行解析，提取核心的數據信息，然后統一封裝，添加相應的幀頭和幀尾，最終轉換成接收方所采用的協議格式.

多重無線異構融合已經成為通信領域重要的研究內容.無線通信網絡與互聯網相結合是未來智能系統發展的趨勢[4].本文將云服務器與無線異構網絡結合在一起，設計一個多重異構網絡融合的云控制系統，并進行相關的實驗測試，獲得一些基本參數.通過云服務器的實時分析，實現終端數據的遠程監控.在實驗測試中，不同制式的協議經過網關的共性操作，實現數據的無縫傳輸.本系統設計簡單，成本低廉，可通過云端服務器對整個系統進行監控，能穩定的實現異構數據的共性融合與傳輸.

1 ? ?方案設計

由于智能控制系統的需求，充分考慮傳輸距離、傳輸速度、抗干擾能力以及傳送數據特性等因素，系統集成了ZigBee、WiFi、GSM、GPRS等通信協議.系統中網關主要負責傳感器網絡協議到現場總線協議的轉換[5].終端設備采集數據后，將數據傳送到網關設備，網關設備接收到數據后，根據其協議類型進行解析，然后封裝成數據幀，進行協議轉換，最后傳送給云服務器及監控中心.監控中心根據數據類型，對其進行相應的分析處理.

云服務器主要是利用中國移動物聯網開發平臺——OneNET[6]，該平臺支持多種語言開發SDK，可以實現終端設備的快速接入，具有分布式結構和多重數據保障機制，提供傳輸加密和安全的數據存儲，支持EDP、MQTT、TCP等接入協議.OneNET將接收到的數據按照協議包存儲，并以API的方式提供給應用層使用，實現終端與服務器的完整交互.

云控制系統主要分為3大部分：云服務器、網關、子網終端設備.具體架構如圖1所示.

2 ? ?實驗設計

本實驗中，以智慧家庭為例，由ZigBee、WiFi、GSM組成的多源異構網絡.前端利用ZigBee技術構建的無線傳感器網絡具有功耗低、成本低、網絡容量大等特點[7]，通過其采集溫度、濕度、氣體、門禁系統情況等數據，經過網關上傳到服務器，通過多重異構網絡實現對家庭環境參數的遠程監控;如果門禁被強行打開，或者危險氣體泄漏，可實現實時電話預警，使用戶第一時間掌握家庭動態，其結構如圖2所示.

整個系統，ZigBee網絡包含協調器和終端設備，協調器屬于網關的一部分;網關中還包含GSM模塊和WiFi模塊;協調器建立星型網絡，終端設備節點1、2、3分別加入網絡，并采集溫度、濕度、氣體、門禁情況等數據，經過網關的WiFi模塊實時傳送到云服務器.同時，根據信號的緊急程度判斷是否要啟動GSM預警功能.

2.1 ? 硬件電路設計

本系統主要由ZigBee、WiFi、GSM通信協議組成，考慮到無線通信部分特殊的工藝要求以及模塊節點的可移植性，將各通信節點設計成最小系統或模塊，在使用時根據系統需求增加一定的外圍電路或傳感器，連接組成完整的系統.

1）ZigBee通信節點電路

本系統ZigBee節點采用CC2530處理器[8]，此處理器只需要很少的外圍元器件和去耦電容即可實現無線的組網通信.在此電路中，包括1個32 MHz的無源晶振，1個32.768 kHz的無源晶振，射頻前端電路與天線，以及芯片的去耦電容.其電路如圖3所示.

2）WiFi通信節點電路設計

本系統WiFi通信節點采用ESP8266模塊，此模塊具有完整獨立的WiFi網絡解決方案，是專門為移動設備和物聯網應用而設計的;集成了TCP/IP協議，有著很豐富的基于Socket的AT指令集，以及強大的片上處理和存儲能力.其電路如圖4所示.

3）GSM通信節點電路設計

GSM通信節點采用SIM800C模塊，可以實現低功耗的傳輸語音、GSM短信和數字信息，通過標準的AT指令可以實現對其控制，實現自動報警功能.GSM模塊與CPU的USART2連接進行通信，模塊的VMCU端連接CPU的PA4口，主要是接受主控器的信號，然后驅動內部的SIM卡進行通信.其電路如圖5所示.

2.2 ? 系統軟件設計

在本系統中，為了優化程序代碼，便于編程、調試和維護，軟件結構采用模塊化方案設計，分別獨立編寫調試各個子功能模塊的程序，預留出標準的接口，最后通過終端節點和網關將所有的模塊連接起來，構成整個系統.系統軟件主要包括網關設計、溫濕度采集程序設計、門禁系統程序設計、氣體煙霧檢測程序設計及通信協議設計.

2.2.1 ? 網關設計

網關是整個系統的大腦，對整個系統起著控制調節的作用.在本系統中，網關采用星型拓撲網絡結構，實現各個終端節點數據的采集并匯集到終端服務器.圖6為網關工作的程序流程圖，在終端設備開始采集數據之前，先判斷網關是否與服務器連接成功;在確認網關與服務器連接成功后，網關判斷服務器是否下達指令.如果有指令，首先執行指令任務，然后開始采集數據.在接收到數據之后，網關判斷數據的緊急程度，判定是否需要啟動GSM電話預警;然后開始數據的封裝，進行協議轉換，上傳到云服務器.

網關連接云服務器主要是通過WiFi模塊連接到“oneNET”平臺.本系統利用esp8266WiFi模塊通過TCP協議實現網關接入oneNET服務器，具體配置如下：

2.2.2 ? 溫濕度采集程序設計

溫濕度采集程序設計如圖7所示.首先，對溫濕度傳感器SHT20進行初始化操作;然后，SHT20進行溫濕度數據的采集，采集完成后對數據進行溫濕度補償等處理;最后，通過ZigBee協議將數據發送到網關.數據每5 s通過ZigBee上傳一次.

2.2.3 ? 門禁系統程序設計

門禁系統主要功能是通過刷卡出入或者輸入密碼出入進行防盜.整個系統初始化之后，系統開始尋卡，如果檢測到有IC卡靠近，就開始讀取IC卡的卡號，并和系統存儲的卡號進行匹配.如果卡號一致就打開門，否則上傳報警信號到網關;如果用戶選擇輸入密碼，系統開始讀取鍵盤值，讀取到的值跟系統存儲的密碼比對，二者一致就打開門，否則同樣上傳報警信號;如果大門被強制打開，系統發送報警信號給家庭網關.系統流程如圖8所示.

2.2.4 ? 氣體煙霧檢測程序設計

氣體煙霧模塊運行時，首先進行初始化操作.由于MQ-2傳感器在使用之前，必須要先預熱才可以采集數據進行檢測，所以在初始化時要等待5 min，在此期間LED燈會一直閃爍.如果LED變為常亮，則代表已經初始化完成，可以開始讀取環境中氣體的濃度數據了.如果讀取到的值超過設定值，那么報警信號將通過ZigBee上傳至網關.否則，每5 min上傳一次讀取到的氣體濃度值.氣體煙霧模塊程序流程圖如圖9所示.

2.2.5 ? 通信協議設計

由于ZigBee、WiFi、GSM通信協議都是可編程的，所以網關通信協議采用自己定制的方式.在系統中開辟一段連續地址作為標準寄存器，寄存相關數據的緊急程度的閾值，區分數據的緊急程度，增強系統實時性.在網關內部，增加了數據優先級指令.其通信格式如表1所示.

[幀頭 載荷 幀尾 網絡ID 優先級 目的地址 源地址 幀長度 數據/響應 數據 CRC校驗碼 1字節 1字節 2字節 2字節 1字節 1字節 隨命令的變化 1字節 ]

整個數據幀格式主要分為3大部分：幀頭、載荷和幀尾.

幀頭：網絡ID用1字節表明此數據包來源的網絡，即協議類型;優先級1字節，是數據處理先后的標識符，表明數據的緊急程度;目的地址2字節，用于標識接收數據的設備;源地址2字節，用于標識數據來源的設備.

載荷：長度1字節用于表示數據的長度;數據/響應1字節，其作用主要是區分傳輸的是數據還是響應;數據就是要傳輸的具體內容，其長度根據數據/響應的不同而改變.

幀尾：主要是CRC校驗碼，用于判斷數據是否正確.

2.3 ? 實驗操作與數據

測試中，首先用手機登錄“oneNET”云端平臺，進去界面5 s后手機顯示溫濕度表盤的數值為當前環境的溫度和濕度.其中，溫度為29.80 °C，濕度為64.95%，如圖10（a）所示.然后按住ZigBee終端節點1的溫度傳感器，大概在20 s后檢測模塊檢測到的數據發生變化，可以發現手機界面的溫度和濕度的表盤的值都發生了變化.其中，溫度為32.44 °C，濕度為65.5%，如圖10（b）所示.通過對比可知，云端服務器可靠的收到了前端采集的數據.

然后，用打火機對著ZigBee終端節點2的氣體傳感器放氣，傳感器檢測到有燃氣后，節點2上的綠色LED燈會以快速的閃爍進行報警，如圖11（a）所示;同時，大概20 s后手機接到GSM打過來的火災報警電話，如圖11（b）所示.

門禁系統設計有刷卡和密碼開門，如圖12所示.刷正確的門禁卡時，白色的LED燈閃爍一次，當刷的卡錯誤時，白色的LED燈一直閃爍;輸入密碼為“1234”再輸入結束符“#”時，因為是正確的密碼，所以同樣是白色的LED燈閃爍一次，輸入的密碼是“1459”或者其他數字，因為是錯誤的密碼時，白色的LED燈一直閃爍;若強制打開門磁的時候，黃色的LED燈亮，手機在20 s內會接受到GSM打過來的報警電話.

此外，點擊界面上的“ON/OFF”，如圖13所示，還可以進行家電設備的遠程控制：點擊“ON/OFF”按鈕，觀察到圖12門禁系統節點上的紅色的LED燈變亮;再點擊一次這個按鈕，圖13門禁系統節點上亮著的紅色LED燈變黑.

2.4 ? 實驗結果分析

從上面的實驗結果和數據可以看出，云服務器與采集終端實現了信息交互.不同協議的數據在網關的協同處理下，異構融合，可靠穩定的傳輸到云端服務器.云端服務器監控中心根據情況，對監控網絡下達相應的指令.從溫度變化、電話預警的時間來看，系統的實時性有待進一步改善，影響實時性的因素主要有：1）溫度傳感器的靈敏度不高;2）所處環境的GSM信號弱;3）系統存在多種通信協議，容易相互影響;

針對以上問題，可以通過提高溫度傳感器靈敏度，增大GSM的發射功率，優化網關異構融合效率等來提高系統實時性.

3 ? ?結論

本文設計的多重無線異構的云控制系統結構簡單，價格低廉，充分發揮了無線通信的優勢，集成了多種常用的通信協議組成異構網絡，通過對異構數據的共性操作，實現異構融合，達到了對復雜環境的高效實時監控.文中以智慧家庭為例搭建的實驗平臺，首先設計了硬件平臺，然后基于硬件部分進行軟件算法設計，并且結合云端服務器，實現了現場環境的遠程監控.實驗時效果實時性好、可靠性高，適用于車聯網、智慧家庭、智能農業等智能化要求較高的領域，對智能化社會有著重要的意義.此外，針對實驗中存在的問題，提高通信距離、優化異構數據融合效率是下一步研究的重要內容.

參考文獻

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Abstract： A multi-wireless heterogeneous cloud control system is proposed which contains the cloud server， the gateway and numerous terminal nodes and combines communication protocols such as zigbee， wifi， and GSM. In the gateway， the protocols of different standards are uniformly encapsulated to realize reliable communication between the cloud server and terminal nodes， and heterogeneous integration of data between different protocols. The cloud server uniformly monitors the data from different protocols and different terminals and intelligently controls different devices. This system can be used in the fields of Internet of vehicles， smart home， intelligent agriculture and so on.

Key words： wireless heterogeneity; cloud control system; integration

（責任編輯：黎 ? 婭）