基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Socket通信研究*

王建玲，王亞慧，田 樂

（北京建筑大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）成為世界范圍內(nèi)各大公司和科研機(jī)構(gòu)爭相研究的前沿與熱點(diǎn)方向，已經(jīng)有為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入商業(yè)使用。當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)主要集中在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)安全管理等方面［1］，針對傳感信息可視化方面的研究相對較少，而且大部分建立在特定的應(yīng)用環(huán)境基礎(chǔ)上，其通用性、可移植性比較差，不能直接應(yīng)用在其他平臺上。

結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的研究現(xiàn)狀與課題需求，開發(fā)了一種基于Socket網(wǎng)絡(luò)編程的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集空調(diào)房間的空氣品質(zhì)參數(shù)［2］，遠(yuǎn)程客戶只需一臺能夠連上網(wǎng)的普通計(jì)算機(jī)，就能坐在辦公室等室內(nèi)環(huán)境里通過Internet實(shí)時(shí)、快捷地獲得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集來的數(shù)據(jù)，即實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程共享，這極大地方便了用戶，拓寬了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用領(lǐng)域［3］。

1 基本理論與概念的提出

1.1 WinCE下的TCP/IP協(xié)議

TCP/IP協(xié)議是一組協(xié)議的總稱，它是一個(gè)4層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，這4層分別是應(yīng)用層、傳輸層、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層。TCP/IP協(xié)議棧是WinCE網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的核心，嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信都直接或間接地使用WinSock端口套接字訪問TCP/IP協(xié)議網(wǎng)絡(luò)堆棧。

1.2 Socket通信機(jī)制簡介

20世紀(jì)90年代初，微軟和第三方廠商共同制定了一套標(biāo)準(zhǔn)，即 Windows Sockets規(guī)范，簡稱 Winsock［4］。Windows Sockets規(guī)范是一套開放的、支持多協(xié)議的Windows下的網(wǎng)絡(luò)編程接口，它規(guī)范了Internet協(xié)議族（IPS，一般為TCP/IP）的API使用，實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)的屏蔽。在Winsock中，一個(gè)套接字對象就是一個(gè)通信的端點(diǎn)，通過套接字可以在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送或接收數(shù)據(jù)包。在TCP/IP下，套接字由IP地址和端口號［5］定義。IP地址包括4B，用于確定Internet上的服務(wù)器。端口號確定特定的服務(wù)或服務(wù)器提供的服務(wù)，與一個(gè)應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)。應(yīng)用程序可以在1024～65535之間選擇自己的端口號。

Sockets編程的設(shè)計(jì)思路為:

1）找到對方IP地址;

2）確定端口;

3）定義通信規(guī)則（傳輸協(xié)議）。

常用到Sockets編程有2種:流式套接字TCP（SOCK_STREAM）和數(shù)據(jù)報(bào)套接字UDP（SOCK_DGRAM），分別基于傳輸控制協(xié)議（transmission control protocol，TCP）和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議（user datagram protocol，UDP）。

UDP多用于聊天、視頻會(huì)議、桌面共享等場合，要求有高的數(shù)據(jù)傳輸速率，用戶可以不在線。其特點(diǎn)為:

1）將數(shù)據(jù)及源和目的封裝在數(shù)據(jù)包中，不需要建立連接;

2）每個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)的大小限制在64 k內(nèi);

3）因無連接，是不可靠協(xié)議;

4）不需要建立連接，速度快。

TCP通常用于可靠性要求較高的場合，其特點(diǎn)為:

1）建立連接，形成傳輸數(shù)據(jù)的通道;

2）在連接中進(jìn)行大數(shù)據(jù)量傳輸;

3）通過3次握手完成連接，是可靠協(xié)議;

4）必須建立連接，效率會(huì)稍低，建立連接之后才發(fā)數(shù)據(jù)［6］。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)［7］如下圖1所示，其中無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用Zig Bee無線通信技術(shù)，它依據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)高效通信。系統(tǒng)基站采用以S3C2440處理器作為控制器的ARM9開發(fā)板，搭載WinCE 6.0實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在系統(tǒng)中嵌入Microsoft SQL Server 2005 Mobile Edition數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)的暫存。遠(yuǎn)程控制功能［8］則吸收以往的一些遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并結(jié)合該系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)功能需求采用基于Sockets通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)簡介

整個(gè)硬件系統(tǒng)配置了JN5148和PIC16f723兩個(gè)控制器，其中JN5148用于實(shí)現(xiàn)基于Zig Bee協(xié)議的無線收發(fā)，是通信實(shí)現(xiàn)的硬件基礎(chǔ)，PIC16f723用于實(shí)現(xiàn)硬件的電源管理。整個(gè)硬件設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn):

1）選用JENNIC公司開發(fā)的第三代Zig Bee芯片，它具有低功耗、強(qiáng)處理能力的特點(diǎn)。

圖1 Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)Fig 1 System architecture of Zig Bee network

2）電源管理電路可以根據(jù)節(jié)點(diǎn)的工作需要設(shè)定節(jié)點(diǎn)的工作周期，通過單片機(jī)編程定時(shí)控制負(fù)載開關(guān)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的硬件“休眠”，達(dá)到節(jié)能的效果［9］。

3）將JN5148中UART0轉(zhuǎn)換成USB的T型口實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與基站的通信，提高節(jié)點(diǎn)的通用性。

4）傳感器電路通過模擬的USB數(shù)據(jù)線將信息傳送至節(jié)點(diǎn)，一是傳感器可以遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)方面應(yīng)用，二是節(jié)點(diǎn)可以更換不同的傳感器滿足不同應(yīng)用需求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 開發(fā)環(huán)境的搭建

在PC上安裝下列軟件:

1）Microsoft Visual Studio 2005［10］;

2）Microsoft SQL Server 2005;

3）Microsoft ActiveSync;

4）基于Windows CE的SDK或設(shè)備在嵌入式設(shè)備上安裝:Microsoft SQL Server 2005 Mobile Edition數(shù)據(jù)庫。

4.2 Sockets網(wǎng)絡(luò)編程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通信流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信流程Fig 2 System communication process

實(shí)現(xiàn)ARM基站與遠(yuǎn)程客戶端的Sockets通信，需要分別對ARM基站服務(wù)端和遠(yuǎn)程PC客戶端進(jìn)行設(shè)計(jì)［11，12］。

4.2.1 服務(wù)端設(shè)計(jì)

服務(wù)端界面共分成運(yùn)行管理、在線管理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)監(jiān)控4個(gè)模塊，運(yùn)行管理模塊提供服務(wù)端信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控端口等待與遠(yuǎn)程PC建立連接;在線管理模塊實(shí)現(xiàn)服務(wù)端與客戶端之間在線聊天，相互發(fā)送信息;數(shù)據(jù)傳輸模塊是將嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLCE中存儲的溫度、濕度數(shù)據(jù)發(fā)送給已建立連接的用戶;數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式開發(fā)板實(shí)時(shí)監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。服務(wù)器主界面功能如下:

1）運(yùn)行管理:包括顯示服務(wù)端信息、服務(wù)端日志、登錄的方式;

2）在線管理:包括在線發(fā)送信息、在線接收信息、發(fā)送文件;

3）數(shù)據(jù)傳輸:包括SQLCE數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提取、溫濕度數(shù)據(jù)的發(fā)送;

4）數(shù)據(jù)監(jiān)控:包括節(jié)點(diǎn)開關(guān)、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)查詢。

4.2.2 客戶端設(shè)計(jì)

客戶端主要實(shí)現(xiàn)功能有3個(gè)方面:

1）根據(jù)服務(wù)端的IP發(fā)送連接請求，與服務(wù)端建立連接;

2）在線向服務(wù)端發(fā)送信息，并實(shí)時(shí)接收服務(wù)端發(fā)來的信息;

3）監(jiān)控本機(jī)的所有網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，分析其源地址和大小、生成日志。

4.2.3 系統(tǒng)Socket通信原理

結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用背景和TCP與UDP各自的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用TCP編程。Socket通信原理主要體現(xiàn)在服務(wù)端與客戶端建立連接并相互發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的過程中。具體的程序流程如圖3所示。

圖3 TCP服務(wù)端/客戶端編程流程Fig 3 TCP server/client programming process

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用課題組自行開發(fā)的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該系統(tǒng)共有30個(gè)節(jié)點(diǎn)。圖4只給出5個(gè)節(jié)點(diǎn)的示意圖，其它節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)基本相同，不同功能主要是通過下載不同的程序?qū)崿F(xiàn)。圖中連接嵌入式基站的是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，其它是路由節(jié)點(diǎn)和底層節(jié)點(diǎn)。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖Fig 4 WSNs system diagram

5.1 溫度、濕度數(shù)據(jù)傳輸功能實(shí)現(xiàn)

5.1.1 服務(wù)端功能實(shí)現(xiàn)

WinCE基站服務(wù)端主界面，運(yùn)行管理模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控端口6001（在1024～65535允許范圍內(nèi)自定義），等待與遠(yuǎn)程客戶端建立連接，如圖5所示。

圖5 監(jiān)控端口，等待建立連接Fig 5 Monitor port，waiting for connection

運(yùn)行服務(wù)端數(shù)據(jù)傳輸模塊，提取嵌入式數(shù)據(jù)庫中采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程客戶端。圖6界面顯示提取的基站SQLCE中的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊“發(fā)送數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)”按鈕，COM端口控制臺監(jiān)聽這些提取到的數(shù)據(jù)并將此數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程用戶。定義數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)包格式為

@序號|時(shí)間|節(jié)點(diǎn)|溫度|濕度|.

例如:發(fā)送SQLCE中第426條記錄時(shí)數(shù)據(jù)包為

@426|2006-01-01 01:29:13|node=10|temp=28|humid=51|.

其中，@標(biāo)識一條記錄，|標(biāo)識一條記錄中的一列?？蛻舳私邮盏綌?shù)據(jù)包時(shí)會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)包定義的格式進(jìn)行解包，從而提取有效數(shù)據(jù)。

5.1.2 系統(tǒng)客戶端功能實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)程客戶順利與服務(wù)端建立連接，并將基站發(fā)送來的數(shù)據(jù)存入SQL數(shù)據(jù)庫中。客戶端界面通過訪問本地SQL數(shù)據(jù)庫也可以查詢基站服務(wù)端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，如圖7所示。

5.2 在線管理功能的實(shí)現(xiàn)

客戶端用戶向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)請求指令，服務(wù)端將接收到該指令，并根據(jù)請求指令將基站存儲的有關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)管理，如圖8所示。

圖6 提取基站嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLCE中的數(shù)據(jù)Fig 6 Extract data in embedded database SQLCE of base station（BS）

圖7 客戶端界面查詢服務(wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)Fig 7 Client interface query datas sent by the Server

圖8 在線管理Fig 8 Online management

5.3 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器的實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控器能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控客戶端的網(wǎng)絡(luò)流，分析各個(gè)數(shù)據(jù)包從而得到每個(gè)數(shù)據(jù)包的協(xié)議類型、源端口、目標(biāo)地址、包長度等信息。

6 結(jié)束語

隨著監(jiān)測壞境的日益復(fù)雜，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲取的溫度、濕度等簡單數(shù)據(jù)已不能滿足人們對環(huán)境監(jiān)測的全面要求，因此，無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless multimedia sensor networks，WMSNs）應(yīng)運(yùn)而生，成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于圖像注冊、分布式視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控以及目標(biāo)跟蹤等項(xiàng)目中［13］。下一步本系統(tǒng)將引入低功耗視頻傳感器，采集信息豐富的圖像、視頻等多媒體信息，實(shí)現(xiàn)信息精準(zhǔn)、全面有效的環(huán)境監(jiān)測［14］。以上研究為后續(xù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

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