基于Wi-Fi與433 MHz頻段的無線傳感網通信網關設計

張藝琳 王宜懷 姚望舒 范小青

(蘇州大學計算機科學與技術學院 江蘇 蘇州 215000)

0 引 言

近年來，工業生產的環境、健康、安全一直是社會關注的焦點，工廠監測愈發顯得重要。在無線通信技術和傳感器技術飛速發展的背景下，無線傳感網絡(Wireless Sensor Network，WSN)[1]因其安裝靈活無害、維護方便、擴展性高等優點，應用領域日趨廣泛，尤其在工業監測領域表現不俗。國內外許多學者對面向工業領域的WSN通信網關進行了大量的研究和探索。文獻[2]以S3C2440A處理器為平臺，設計了一種GPRS-ZigBee網關系統，用于地鐵變電站防誤閉鎖控制，但GPRS傳輸速度較慢。Wi-Fi技術作為一種短距離、較高傳輸速度的無線傳輸技術，可兼容現有以太網，組網便利靈活[3]，逐漸成為無線接入的主流標準。文獻[4]設計了一種用于監測液壓支架壓力系統的網關，選用CC2530作為主控單元，結合Wi-Fi和ZigBee技術，但傳統ZigBee協議開發難度大、結構復雜、通信穩定性差。文獻[5]利用Arduino平臺，設計了基于BLE/Wi-Fi的網關，但藍牙通信距離過短、覆蓋范圍小。433 MHz頻段相較其他高頻段無線，波長更長，穿透能力更好，覆蓋范圍更廣。

本文采用KW01Z128主控器和ESP8266Wi-Fi芯片為硬件平臺，設計并實現了一種基于Wi-Fi技術和433MHz頻段無線技術的WSN通信網關。使用Wi-Fi來解決WSN與Internet網絡協議兼容問題；對ZigBee協議進行場景適應性優化，降低其復雜度，提高433 MHz頻段無線通信穩定性；優化軟件設計流程，提高網關整體通信性能。

1 系統框架

本文以工廠監測為場景，但并不局限于工廠監測。整體通信框架參考物聯網分層模型[6]，如圖1所示，自左向右分為感知層、網絡層和應用層。感知層利用傳感器實時感知、捕獲、測量環境物體的信息；網絡層以無線為傳輸媒介，通過各種通信協議傳送交互信息；應用層針對業務需求進行信息處理[7]。將該模型實例化，感知層由多個傳感器節點構成，節點間通過433 MHz頻段無線通信組成WSN；網絡層由網關組成，網關與感知層之間為433 MHz頻段無線通信，與應用層之間利用2.4 GHz Wi-Fi建立TCP通信；應用層由服務器和用戶交互程序構成。

圖1 無線通信網關系統框圖

網關在整個框架中有著承上啟下的作用，網關節點支持實現整體框架的數據上下行，數據上行時，負責匯總傳感器節點數據并完成433 MHz頻段無線協議與Wi-Fi協議的轉換和發送；數據下行時，負責接收并解析服務器數據后做出相應操作。

2 硬件模塊設計

2.1 整體設計及芯片選型

對網關硬件進行模塊化設計，按照功能需求主要包含主控器模塊、Wi-Fi模塊、RF天線模塊和電源模塊等，各模塊均使用電源供電，如圖2所示。

(a) 網關硬件結構框圖 (b) 實物圖圖2 網關硬件結構框圖及實物圖

KW01Z128作為基于ARM Cortex-M0+內核的低功耗系列芯片，工作頻率高達48 MHz，可達nA級別超低功耗，提供UART、SPI、I2C等多種外設接口，擴展方便。芯片本身集成了SX1231射頻收發器，射頻模塊與主控器MCU之間使用芯片內部SPI通信。SX1231是一款Sub 1 GHz的超低功耗射頻收發控制器，具有出色的靈敏度和高選擇性，支持多種無線頻段，具有低功耗、低成本、高度集成、通信穩定等特點，適用于諸如工業監測、智能家居、智能城市等多種物聯網產品的研究與開發[8]。本文選擇KW01Z128芯片，既能滿足對主控器低功耗的需求，也能避免增加獨立射頻收發器的不便。

Wi-Fi模塊采用集成ESP8266芯片的無線模塊，該模塊載波頻率為2.4 GHz，通信距離可達100 m，支持串行通信UART，支持IPV4、TCP/UDP和HTTP/FTP網絡協議。KW01Z128通過UART與Wi-Fi模塊通信。

2.2 通信模塊電路設計

通信模塊電路設計作為本文電路設計的關鍵，分為兩個部分，433 MHz頻段無線通信模塊電路設計和Wi-Fi模塊電路設計。

射頻收發器集成在KW01Z128內部，所以該模塊電路設計包括KW01Z128最小硬件系統和射頻前端電路，如圖3、圖4所示。射頻前端電路需要適配433 MHz的載波頻率，進行阻抗匹配并留出天線接口。

圖3 KW01Z128最小硬件系統

圖4 射頻前端電路

Wi-Fi模塊采用ESP8266芯片，模塊原理如圖5所示。使用RT9193-33穩壓芯片為其提供穩定可控的3.3 V電壓。

圖5 Wi-Fi模塊電路圖

3 通信協議及軟件設計

本文網關通信兼容433 MHz頻段無線通信和2.4 GHz Wi-Fi通信，433 MHz頻段無線通信使用適應性優化版本的ZigBee協議，2.4 GHz Wi-Fi通信使用TCP協議。依托上述協議，自定義可擴展通信數據格式并設計整個軟件流程。

3.1 ZigBee協議適應性優化

ZigBee技術作為WSN短距離組網的關鍵技術，因其低功耗、低成本、短時延等優勢[9]，已被廣泛應用于多個領域。但ZigBee協議作為復雜的通信協議適用于網絡拓撲結構容易動態變化的場景，且ZigBee協議開發難度較大，導致網絡的穩定性不高[10]。本文設計面向節點固定、拓撲結構并不復雜的工廠監測場景，對ZigBee協議進行適應性優化，旨在使節點間無線通信更穩定可靠快速。

傳統的四層ZigBee協議分為物理層、鏈路層、網絡層和應用層。對于每個網關管轄子節點固定且互不通信的場景，ZigBee協議網絡層并未起到實際作用，且復雜的幀結構在降低組幀解幀效率的同時，也造成通信不穩定。為解決此問題，本文參考ZigBee協議分層思想，將網絡層舍棄，并對余下3層進一步精簡，保留必要字段。最終將無線通信協議分為物理層、鏈路層和應用層，如圖6所示。應用層傳輸有效負載并明確數據包功能，鏈路層確定數據包始發地和目的地，物理層負責過濾地址并保證整幀的完整性。

圖6 無線傳感網絡通信協議結構

應用層和鏈路層的封裝均由KW01Z128編程實現，而物理層部分封裝由RF模塊自主實現。發送無線數據包時，按照應用層—鏈路層—物理層順序逐次封裝，接收數據包時，再按照物理層—鏈路層—應用層順序解析。應用層的幀頭幀尾確保實際有效負載完整，命令字及命令返回用來實現不同功能類型數據包的往來；鏈路層的幀號用來標識一定時間內該幀的唯一性，源節點地址用來確認返回幀的目的地，而目標節點地址則是確定本次拓撲路徑的終點；物理層的硬件濾波地址用來過濾地址不匹配的數據包，CRC校驗保證整個通信幀完整。

為測試ZigBee協議適應性優化后的性能，進行兩組網關和傳感器節點單播點對點通信測試，兩組測試只有通信協議幀不同。傳感器節點發送功率為13 dB，發送間隔為1 000 ms，波特率為100 Kbit/s，發送有效數據長度為1 B(按兩個協議組幀后實際通信數據包字節不同)，連續向網關節點發送1 000個數據包，統計網關接收到數據包個數及傳輸時間；同時改變節點間傳輸距離，比較不同傳輸距離下的協議性能。重復測試3次取平均值，對比結果如圖7與圖8所示。

圖7 ZigBee協議適應性優化前后丟包率對比

圖8 ZigBee協議適應性優化前后傳輸時間對比

圖7的測試結果表明，在傳輸距離較近情況下，ZigBee協議適應性優化前后丟包率相差不大，優化后略好，但隨著傳輸距離增大，ZigBee協議適應性優化后的丟包情況明顯更好。圖8中，ZigBee協議適應性優化后的傳輸時間略優于優化前。實驗說明在節點固定、拓撲結構并不復雜的工廠監測場景中，使用本文設計的ZigBee適應性優化協議，通信更穩定，實時性更高。

3.2 數據格式約定

無論是433 MHz頻段無線通信，還是TCP通信，數據包都面向字節流，通信雙方需要就如何解讀實際數據進行約定。根據實際場景不同，數據格式也有差異，本文在工廠監測場景下，給出了一套實用、可擴展的數據格式，如圖9所示。

圖9 網關通信的數據格式

UserData為網關上傳數據至服務器的數據格式，其中NodeData既屬于UserData的一部分，也是無線傳感網絡節點間傳輸數據的格式。UserData直接包含NodeData，提高應用程序自由度的同時也提高了數據格式的擴展性，能夠更好應用于多種實際場景。

3.3 軟件流程設計

使用3.1節的ZigBee適應性優化協議和3.2節的數據格式，并遵循模塊化思想，軟件按功能模塊分為初始化、自適應、數據匯總、數據上傳和接收服務器數據。軟件主循環流程如圖10所示。

圖10 網關程序主循環流程

網關上電后，初始化UART、SPI、RF等外設模塊，實例化UserData結構體對象getdata，讀取Flash中網關配置信息并配置網關，初始化Wi-Fi模塊，接入網絡并建立TCP連接。

自適應，即網關對于傳感器節點增刪的自主感知。首先從網關可配置信息中獲取預設可能存在的傳感器節點地址，通過433 MHz頻段無線向可能存在的傳感器節點發出請求，并通過同樣的通信方式來接收傳感器節點的回應，最終確定該網關管轄有效節點地址和個數。

網關采用請求-應答的方式進行數據匯總，設計使用分組雙驅動滑動窗口機制。如圖11所示，分組雙驅動滑動窗口是在對有效節點分組基礎上使用兩種驅動條件來進行右向窗口滑動，一種是窗口最左側對應的已請求節點收到了應答，另一種為最長等待應答時長耗盡。自適應結束后，網關管轄有效節點地址和個數已知，設定每組大小為10，窗口大小為5。首先將當前組的有效節點地址和個數填入getdata的對應字段，向窗口范圍內也就是列表前5個節點依次發送請求，等待傳感器節點應答，若收到窗口內最左側節點的應答或最長等待應答時長耗盡，則窗口向右滑動一位，向第6個節點發送請求，以此類推，直到該組10個節點請求完畢，其間收到的傳感器數據直接填入getdata。此時，若有未能收到應答的節點，則暫停滑動窗口，開始重傳。對于首次請求未能應答的節點，再次進行請求，此次請求不再使用滑動窗口，而是逐個發出請求并等待應答，若還是有未能應答的節點，在該組第2次問詢全部結束后，發起第3次請求，依舊是逐個問詢。若總計3次請求都未得到節點回應，則認為該節點丟失，最終在人機交互程序中給出提示。至此，該組節點的數據收集完畢，繼續進行下一組，滑動窗口重新開始滑動，直到所有有效節點收集完畢，一次完整的匯總周期結束。這樣大大地提高了通信的可靠性，適用于低實時性、高穩定性要求的場景。即使每組傳感器節點未能全部應答，人機交互程序也可以根據網關上行數據幀中有效節點個數及有效節點地址字段與傳感器數據的對比結果判斷節點失聯情況。

圖11 網關請求數據的雙驅動滑動窗口機制

數據上傳以數據匯總過程中的分組為單位，每組數據收集完畢時，getdata也更新結束，隨即進入該組數據上傳階段。網關與服務器間的TCP連接在程序流程多處進行判斷重連操作，從而保證通信雙方連接穩定。主控器將完整數據幀getdata通過UART發送至Wi-Fi模塊，Wi-Fi模塊將其按照TCP協議封裝后發送給服務器，若未發送成功，則認為TCP斷開連接，重連后再次發送，如此3次后還是未能發送，則認為發送失敗，該組發送流程結束。發送結束后，清除getdata填充數據，為下一幀數據做準備。為解決Wi-Fi模塊死機，主循環每999 s主動斷開后重連TCP，若3次建立連接失敗，則判定Wi-Fi模塊死機，重啟Wi-Fi模塊。

網關接收服務器數據屬于整個框架中數據下行的重要部分，用戶利用交互程序按照雙方約定數據格式組幀后發送給網關，Wi-Fi模塊接收數據，觸發UART中斷，主控器在UART中斷中接收數據并執行對應命令，結束后繼續執行中斷前操作。

4 網關通信性能分析

本文網關性能測試中，網關與傳感器節點都基于KW01Z128硬件平臺。

4.1 網關整體通信性能測試

為測試網關整體性能，搭建1個網關和10個傳感器節點的自組網，服務器運行偵聽程序，通過網關收集傳感器節點數據，并上傳至偵聽程序，檢驗網關從收集數據到上傳數據的整體通信性能。

通過網關連續收集10個傳感器節點的 1 000個數據包，保證所有節點正常運行，統計接收、丟失、錯誤數據包的數量；改變網關與傳感器節點的平均距離，測試網關整個通信過程中收發數據的性能。進行3次測試后取平均值，實驗數據如表1所示。

表1 網關整體通信丟包率和誤包率測試

可以看出，該網關實現預期設計目標，測試效果良好。隨著傳輸距離增加，丟包率與誤包率也隨之增大，但增長幅度仍在可控范圍內，通信的穩定性、可靠性都有保障，完全可以滿足工廠監測場景的需求。

4.2 網關無線組網通信性能對比

網關整體通信的性能主要取決于無線組網通信及Wi-Fi通信的性能，其中無線組網通信尤為關鍵。為了進一步體現本網關通信穩定、可靠、及時的優點，對無線組網的通信性能進行分析比較。

將本文網關與文獻[11]設計的ZigBee+Wi-Fi網關進行對比，搭建與之相同的測試環境，來比較兩者無線組網通信的丟包率和誤包率。搭建1個網關與3個傳感器節點的自組網，通過網關連續循環向傳感器節點發送100個數據包，統計接收、丟失、錯誤數據包個數，同時改變傳輸距離，測試不同距離下的丟包率與誤包率。需要指出的是，該項對比實驗結果是進行20次測試后所得的平均值。

圖12與圖13給出了本文與文獻[11]的網關無線組網丟包率與誤包率變化曲線的對比。如圖12所示，本文的無線組網通信丟包率在10 m到80 m距離范圍內低于文獻[11]，顯然本文的無線組網通信穩定性更高。如圖13所示，本文的無線組網通信誤包率雖然在10 m處略高于文獻[11]，但在該距離，兩者的誤包率都非常低，且在15 m到80 m距離范圍內本文誤包率明顯更低，因此本文的無線組網通信可靠性更高。

圖12 不同網關無線組網丟包率變化曲線

圖13 不同網關無線組網誤包率變化曲線

文獻[12]和文獻[13]都在各自提出的無線組網方案上對網絡中的數據傳輸時間進行了測試。使用本文網關搭建與它們相同的測試環境，使用1個網關與5個傳感器節點組網(總計6個節點無線組網)，每個傳感器節點依次向網關節點傳輸100個數據包，網關節點對傳感器節點的傳輸時間進行測試統計，測試3次取平均值，對比結果如圖14所示。

圖14 不同方案無線組網數據傳輸時間曲線

實驗結果分析可知，無線組網網絡數據的傳輸時間受傳輸距離影響，傳輸距離越大，傳輸時間越長。三者的傳輸時間都維持在毫秒級，本文的傳輸時間雖然比文獻[12]略高，但明顯優于文獻[13]。因此，本文的無線組網網絡傳輸時間雖然未能達到最優，但是完全能夠滿足工廠監測實際場景的實時性要求。

5 結 語

本文設計一款基于Wi-Fi技術的無線傳感網通信網關。通過對ZigBee協議的適應性優化，改善傳統ZigBee協議穩定度不足的問題，提高網關433 MHz頻段無線通信的穩定性。并在此協議基礎上，設計數據格式和軟件流程，實現具有可行性與適應性的網關整體方案設計。測試結果表明，該網關能夠更穩定、可靠、及時地完成數據上下行，滿足實際需求。目前，該設計已在某工廠EHS(Environment、Health、Safety)監測系統中成功應用。