環(huán)境監(jiān)測中網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)廣泛接入機(jī)制研究

張正華，殷有燁，湯 旭

（揚(yáng)州大學(xué)信息工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225000）

0 引言

自然環(huán)境與人類生產(chǎn)生活密切相關(guān)，對于環(huán)境中一些重要參數(shù)的及時(shí)獲取，可以有效地幫助人們解決實(shí)際生產(chǎn)生活中所遇到的問題。近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日新月異。人們可以借助于物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)及時(shí)準(zhǔn)確地獲取自己想要的環(huán)境數(shù)據(jù)。以基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是目前比較流行的一種近程通信技術(shù)手段[1]。在環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用中，通過其自組網(wǎng)和多跳技術(shù)的方式[2]，能夠滿足普通環(huán)境下終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)傳回?cái)?shù)據(jù)的要求。然而為了使得環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適用于更為復(fù)雜的野外環(huán)境，可以考慮通過多種無線通信的方式（比如GPRS、Wi-Fi以及藍(lán)牙等技術(shù)）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，從而要求環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)能夠?qū)Χ喾N傳輸協(xié)議下所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行解析，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)能夠廣泛接入多種通信技術(shù)。這也是目前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究熱點(diǎn)之一，其應(yīng)用前景較為廣闊。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，一般是由3大部分組成:無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、網(wǎng)關(guān)和后臺(tái)監(jiān)控中心。在文中選取TI公司的片上系統(tǒng)CC2430芯片和SHT11的溫濕度傳感器，通過I2C總線將其構(gòu)建成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)。終端的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在所要監(jiān)測的環(huán)境區(qū)域內(nèi)，同時(shí)能夠正確地采集監(jiān)測范圍內(nèi)的溫度和濕度信息，并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)能在監(jiān)測范圍內(nèi)以自組網(wǎng)的方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，然后以多跳技術(shù)方式將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)部分。網(wǎng)關(guān)部分對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列的重新打包處理，最后選擇通過Wi-Fi的傳輸方式上傳至監(jiān)控中心。對于整體系統(tǒng)只做了個(gè)簡要概述，主要針對網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

2 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

三星公司的基于ARM9架構(gòu)的S3C2440[3]微處理器是一款高性能、低功耗的16/32位的RISC處理器[4]。這款微處理器主頻高達(dá)400MHz，擁有完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，省去了系統(tǒng)額外配置器件的需要，降低了成本。此外，這款微處理器可以擴(kuò)展豐富的外部資源，如外部存儲(chǔ)器、串口和網(wǎng)口等，這就為以后所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的升級(jí)開發(fā)打下了基礎(chǔ)。

設(shè)計(jì)選用的是基于S3C2440的Micro2440一個(gè)雙層電路核心板。這款核心板其實(shí)是個(gè)最小系統(tǒng)，包括了最基本的電源電路（5V供電）、復(fù)位電路和JTAG口等。核心板板上引出了各種常見接口，多余的I/O口則通過插針引出，方便了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件框圖

3 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

Linux操作系統(tǒng)其源碼公開，內(nèi)核精悍，運(yùn)行穩(wěn)定，所需資源少，支持硬件數(shù)量龐大。而且各種硬件驅(qū)動(dòng)程序源代碼都可以得到，為用戶帶來很大方便。選擇移植Linux操作系統(tǒng)也為網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)廣泛接入帶來很大方便。對于操作系統(tǒng)的移植主要包括了Bootloader移植[5]、Linux系統(tǒng)移植、根文件系統(tǒng)制作和各個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)[6]。

網(wǎng)關(guān)中的組建網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用程序設(shè)計(jì)主要有3個(gè)步驟:首先是網(wǎng)絡(luò)初始化，由網(wǎng)關(guān)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建網(wǎng)，然后是子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，最后是讀取子節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換并發(fā)送[7]。圖2和圖3是網(wǎng)關(guān)的具體程序設(shè)計(jì)流程。

圖2 網(wǎng)絡(luò)初始化

圖3 網(wǎng)關(guān)APP工作流程

4 廣泛接入機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法

在上述中監(jiān)測系統(tǒng)是以ZigBee這一固定設(shè)備構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為接入對象的，通過測試證明在環(huán)湖景點(diǎn)這樣普通環(huán)境下是可行的。但是在更為復(fù)雜環(huán)境下，需要多種通信設(shè)備的接入，這就提出了網(wǎng)關(guān)廣泛接入的要求。在本文中構(gòu)建了一種新型的網(wǎng)關(guān)功能層次模型。該模型分別由協(xié)議適配層、統(tǒng)一信息格式轉(zhuǎn)換層和標(biāo)準(zhǔn)信息構(gòu)成層組成，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關(guān)功能層次模型圖

各個(gè)層的功能明確，協(xié)議適配層負(fù)責(zé)解析出數(shù)據(jù)，格式轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)信息層主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)重新打包處理。這其中協(xié)議適配層是實(shí)現(xiàn)廣泛接入機(jī)制的關(guān)鍵，在這一層中主要實(shí)現(xiàn)的是將各個(gè)不同設(shè)備構(gòu)建的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上傳的信息進(jìn)行解析，獲得有效數(shù)據(jù)，由于不同感知網(wǎng)絡(luò)存在著明顯不同，所以要使用同一種模式進(jìn)行適配是不可行的。本文中提出一種模塊可加載的方法，通過靈活添加不同的硬件設(shè)備以及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序軟件，來實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)在該適配層進(jìn)行統(tǒng)一配置[8]。

該模型硬件構(gòu)成和操作系統(tǒng)都是以文中前面所述框架為基礎(chǔ)的，要實(shí)現(xiàn)廣泛接入機(jī)制主要是在APP應(yīng)用程序上結(jié)合Linux共享庫文件（.so文件）來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載的。首先需要編譯一個(gè)共享函數(shù)庫文件（.so文件）。應(yīng)用程序里只需一個(gè)“指向”位置，程序本身不再包含函數(shù)代碼，然后將應(yīng)用程序編譯成可執(zhí)行文件[9]，并裝載到網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的內(nèi)存中執(zhí)行，當(dāng)可執(zhí)行文件需要用到共享函數(shù)庫機(jī)制時(shí)，函數(shù)引用才會(huì)被解析并產(chǎn)生對共享庫的調(diào)用[10]，共享庫才會(huì)被加載到內(nèi)存中執(zhí)行。APP的可執(zhí)行文件中具有指向共享函數(shù)庫的指針，是擁有指向功能，因此在接入不同的近程通信設(shè)備時(shí)只需升級(jí)共享函數(shù)庫，APP的可執(zhí)行文件無需重新編譯變動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)對升級(jí)后的共享庫文件的調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的廣泛接入機(jī)制。圖5就是一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接加載實(shí)現(xiàn)框圖。

圖5 動(dòng)態(tài)鏈接加載框圖

5 網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

網(wǎng)關(guān)能夠很好地接收以ZigBee構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上傳的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行重新打包處理后上傳至服務(wù)器，最后通過設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)支撐軟件服務(wù)界面顯示出來，如圖6所示。

圖6 測試圖

圖7所示的是環(huán)湖景點(diǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果平面圖。

圖7 環(huán)湖景點(diǎn)平面圖

由上述2幅實(shí)驗(yàn)圖可見基于ZigBee構(gòu)建的環(huán)湖景點(diǎn)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是成功的，所以網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)也是合理的，網(wǎng)關(guān)能夠很好地接入ZigBee設(shè)備，并接受處理ZigBee傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)。因此在這設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上進(jìn)行一次延伸，給出的廣泛接入機(jī)制的實(shí)現(xiàn)方法是可行的。

6 結(jié)束語

在以ZigBee作為無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測中的網(wǎng)關(guān)廣泛接入機(jī)制的研究實(shí)現(xiàn)方法。該方法可以靈活方便地使得環(huán)境監(jiān)測中的網(wǎng)關(guān)接入不同的通信設(shè)備，從而拓展了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用，同時(shí)也是針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作以及實(shí)現(xiàn)各種通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的互聯(lián)互通奠定了基礎(chǔ)。

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