基于物聯(lián)網(wǎng)的短距無線通信系統(tǒng)實驗

倪 林， 張義紅， 楊 義

(東華大學 信息科學與技術學院， 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心， 上海 201620)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、移動通信技術的又一次信息產(chǎn)業(yè)的重大發(fā)展。其產(chǎn)業(yè)鏈長，覆蓋面廣，應用范圍幾乎涵蓋各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，必將促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的革命性的轉(zhuǎn)變[1]。作為新型的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)已受到各國政府的高度重視。

物聯(lián)網(wǎng)可以被認為是利用“泛在網(wǎng)絡”實現(xiàn)“泛在服務”[2], 是一種更加廣泛深遠的網(wǎng)絡應用形態(tài)。泛在網(wǎng)是在異構(gòu)網(wǎng)絡融合和頻譜資源共享基礎上實現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡覆蓋，其中，泛在無線技術是物質(zhì)世界互動的過程中實現(xiàn)末梢效應和邊緣價值的核心技術，是促進物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化應用的關鍵之一。而短距無線通信是其重要的應用形態(tài)[3]。

由于無線通信技術迅速發(fā)展，短距無線通信呈現(xiàn)出異彩紛呈的景象。技術性能各異，傳輸特性不同，市場需求驅(qū)動著新技術的不斷創(chuàng)新[4]。為了滿足社會發(fā)展的需求，為培養(yǎng)創(chuàng)新型應用人才，我們結(jié)合我校研究生的移動計算理論系統(tǒng)實驗，以及本科生的課程設計、畢業(yè)設計等教學實踐環(huán)節(jié)，選擇主流的短距無線通信技術，開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的短距無線通信技術的系統(tǒng)實驗研究，包括：WiFi/IEEE802.11，ZigBee/802.15.4，以及藍牙(Bluetooth)等基礎性實驗；以及基于物聯(lián)網(wǎng)的GSM，CDMA，GPS等與不同短距無線通信技術的網(wǎng)絡融合的實驗；結(jié)合實際案例開展短距無線通信組網(wǎng)的實驗研究，以及基于嵌入式系統(tǒng)泛在無線通信技術的綜合開發(fā)。

1 短距無線通信的基礎實驗[5-6]

1.1 藍牙無線通信實驗

實驗環(huán)境。

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機1臺，串口線(公母)1條，USB電纜1根，網(wǎng)線1條，TTP6603 1塊，9 V電源。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

(1) 藍牙協(xié)議棧移植實驗。本實驗選擇了 Linux 環(huán)境下廣泛使用的藍牙開源協(xié)議棧 BlueZ 。學生通過將 BlueZ 移植到嵌入式平臺的完整過程，理解藍牙協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)、同步/異步鏈路的建立以及常用的藍牙 Profile ，為藍牙應用功能的開發(fā)奠定基礎[7]。

(2) 藍牙無線數(shù)據(jù)通信實驗[8]。本實驗通過軟件控制藍牙實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)墓δ?。通過對軟件源代碼的剖析，使學生理解通過協(xié)議?？刂扑{牙設備的過程以及建立異步數(shù)據(jù)鏈路的方法，便于學生理解軟件協(xié)議棧與硬件設備之間的配合工作。

(3) 藍牙無線語音通信實驗[9-10]。本實驗通過軟件控制藍牙實現(xiàn)語音無線通信功能。通過對軟件源代碼的剖析，使學生理解建立藍牙同步鏈路以及用同步鏈路傳輸語音的方法，作為藍牙電話網(wǎng)關設計的基礎。

1.2 WiFi/IEEE802.11b/g無線通信實驗

實驗環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機一臺，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，WLAN 11g USB 適配器 1個，9V電源1個，無線路由器1個。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

本實驗通過嵌入式主機上的 802.11b/g無線接入模塊，向100 m范圍內(nèi)的 WLAN 終端設備提供無線接入功能，并與WLAN終端進行無線數(shù)據(jù)傳輸，提供文件傳輸?shù)氖纠浖?/p>

1.3 ZigBee無線通信實驗

實驗環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機一臺，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，ZigBee模塊 2個(1主、1從)，9 V電源1個，5 V電源2個。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

開發(fā)板：

輸入cd/mnt/SEMIT_ ProjectdZigBee進入該文件夾。輸入./send就可以看到通過串口傳來的溫度信息了。

2 短距無線通信與異構(gòu)網(wǎng)絡融合的系統(tǒng)實驗[11-13]

2.1 藍牙無線通信與GSM/GPRS網(wǎng)絡融合的系統(tǒng)實驗

實驗環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機一臺，串口線(公母)1條，USB 電纜1 根，網(wǎng)線1條，TTP6603 一塊，9 V電源。如圖1所示。

圖1 藍牙與GSM/GPRS網(wǎng)絡融合

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

在開發(fā)板：輸入cd /mnt/S EM IT_ Project/Bluetooth_ Cellphone/Bluetooth_ Cellphone_ Server輸入./server。

在PC上輸入：cd /mnt/S EM IT_ Project/Bluetooth_ Cellphone/Bluetooth_ Cellphone_ Client

在PC端用USB電纜連接TTP6603

在PC端：輸入./Bluetooth_link。通過藍牙，按如上的操作界面提示進行操作，就可以實現(xiàn)在 PC 端與GSM網(wǎng)絡通話了。

其中，嵌入式主機為藍牙電話網(wǎng)關，實現(xiàn)了藍牙短距無線通信與GSM網(wǎng)絡的融合。

2.2 WiFi短距無線通信與廣域網(wǎng)的融合

實驗拓撲圖如圖2所示。

在開發(fā)板：

輸入cd /mnt/SEMIT_Project/Multinet/802. 11

輸入./PC1_init。

在PC2端：輸入.PC2_init。

輸入ping 172.27.0.1和ping 192.168.0.56，如果ping的通，說明通過WiFi成功的實現(xiàn)了PC機與廣域網(wǎng)的通信，以及PC機之間的互相通信。

2.3 WSN與廣域網(wǎng)的融合系統(tǒng)實驗[14]

實驗拓撲圖如圖3所示。

圖3 實驗拓撲圖

實驗環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機1臺，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，ZigBee模塊 2個(1主、1從)，9 V電源1個，5 V電源2個。

軟件： RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

在開發(fā)板：輸入cd /mnt/SEMIT_Project/WSN/WSN_Client

在PC機：輸入cd /SEMIT_Project/WSN/WSN_Server

輸入./Server。

開發(fā)板輸入：./client 192.168.0.22(PC機IP)

在PC端就能看到開發(fā)板端通過網(wǎng)線傳過來的溫度信息了。

3 短距無線通信的綜合開發(fā)系統(tǒng)實驗研究[15]

基于物聯(lián)網(wǎng)應用的典型案例，我們利用Bluetooth、WiFi短距無線通信開發(fā)了完整的定位信息無線傳輸系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 典型物聯(lián)網(wǎng)應用案例

其中，嵌入式主機起到主控作用， GPS 模塊用于接收定位衛(wèi)星信號并進行處理，向嵌入式主機提供定位和標準定時信息。網(wǎng)關上的Bluetooth和802.1lb/g 模塊作為兩種可選的短距離無線通信方式，能夠?qū)⒍ㄎ恍畔⒁詿o線的形式傳送到其他設備，例如上圖 中帶有 Bluetooth和802.llb/g通信功能的手機或計算機。

具體實驗環(huán)境[16-17]：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機一臺，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，WLAN 11g USB 適配器 2個，GPS模塊1個，9 V電源2個，7.5 V電源1個，無線路由器1個。實驗拓撲圖見圖5。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

圖5 實驗拓撲圖

PC機：

輸入cd /SEM IT_Project/GPS_Wireless/GPS_Wireless_Server

輸入./pc_config。

在開發(fā)板：

輸入cd /mnt/SEMIT_Project/GPS_Wire1ess/GPSWire1ess_C1ient

輸入./ARM_config

輸入Ctrl+C即可停止程序運行。

其中，GPRMC數(shù)據(jù)格式中，GPS的實用數(shù)據(jù)含義為：A=數(shù)據(jù)可用，N=北半球，E=東半球。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)是利用“泛在網(wǎng)絡”實現(xiàn)“泛在服務”，短距無線通信是推動其發(fā)展的重要力量之一。本文從基礎實驗、以及與異構(gòu)網(wǎng)絡的融合、綜合開發(fā)等三方面對短距無線通信進行了系統(tǒng)實驗研究。通過實驗研究，使學生們對主流的短距無線通信不僅有較為深入的感性認識，而且還要有較為系統(tǒng)的用知能力，最終目的是通過實驗提高學生的創(chuàng)新實踐水平。

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