基于藍(lán)牙4.0與3G的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖鵬飛，陳慶奎

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093）

基于藍(lán)牙4.0與3G的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

廖鵬飛，陳慶奎

（上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海200093）

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議不兼容問題，利用低功耗藍(lán)牙4.0與第三代移動(dòng)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)一種無線傳感器網(wǎng)關(guān)。硬件設(shè)計(jì)方面，使用基于ARM Cortex-A8的S5PV210作為主處理器，使CC2540藍(lán)牙模塊與無線傳感器節(jié)點(diǎn)相連接，控制3G模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。軟件設(shè)計(jì)方面，基于Android操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接收、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、交互控制等功能。測(cè)試結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)具有較低的接收與轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)丟包率、處理時(shí)延及功耗，可保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的高效實(shí)時(shí)通信。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；藍(lán)牙4.0；Android系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)關(guān)；TCP/IP協(xié)議

1 概述

無線傳感網(wǎng)絡(luò)是由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信形成的多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其主要目標(biāo)是將網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息進(jìn)行采集、分析處理，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者，使所有者對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域所感知的對(duì)象進(jìn)行決策應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測(cè)、目標(biāo)定位、醫(yī)療護(hù)理等領(lǐng)域［1-3］。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)不同，微型傳感器節(jié)點(diǎn)的計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力以及通信能力相對(duì)較弱。因此，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議具有低功耗、低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)。以至于高能耗的TCP/IP通信協(xié)議不適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)。通常解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通信的典型方案是設(shè)計(jì)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。

目前很多學(xué)者已經(jīng)在這方面做了研究，如文獻(xiàn)［4］提出基于ZigBee/Ethernet的無線傳感器網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)［5-7］提出基于ZigBee/GPRS的無線傳感器網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)［8］提出基于ZigBee/CDMA的無線傳感器網(wǎng)關(guān)。這些研究大部分采用的通信協(xié)議是IEEE802.15.4/ZigBee協(xié)議。該協(xié)議具有低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的特點(diǎn)，是無線傳感器推薦使用的技術(shù)。但目前實(shí)現(xiàn)該協(xié)議的硬件成本較高，協(xié)議網(wǎng)絡(luò)層的研究相對(duì)較少，要在無線傳感器網(wǎng)上大規(guī)模的應(yīng)用還需要一定時(shí)間。另外，在藍(lán)牙應(yīng)用研究方面，如文獻(xiàn)［9］提出基于嵌入式Linux的藍(lán)牙以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)［10］提出基于藍(lán)牙的無線傳感網(wǎng)關(guān)；文獻(xiàn)［11］提出在汽車傳感器應(yīng)用中的藍(lán)牙-CAN網(wǎng)關(guān)。這些研究大部分采用的通信協(xié)議是傳統(tǒng)藍(lán)牙，并未考慮到藍(lán)牙功耗對(duì)網(wǎng)關(guān)及無線傳感器節(jié)點(diǎn)的影響，也未考慮網(wǎng)關(guān)移動(dòng)性及遠(yuǎn)程控制特性的設(shè)計(jì)。藍(lán)牙4.0技術(shù)是集傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、高速技術(shù)和低耗能技術(shù)于一體的最新藍(lán)牙通信規(guī)范，具有極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗、低成本、3 m s低延遲、100 m以上超長(zhǎng)通信距離、AES-128加密等特點(diǎn)［12］，同時(shí)藍(lán)牙4.0技術(shù)將大規(guī)模應(yīng)用在手機(jī)、PAD等設(shè)備上。藍(lán)牙4.0技術(shù)的這些特性為其在無線傳感器網(wǎng)上的應(yīng)用提供了優(yōu)勢(shì)。另外，隨著移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，越來越趨向于將無線傳感器網(wǎng)與第三代移動(dòng)通信技術(shù)（3G）相融合，更利于適用特殊環(huán)境下的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于藍(lán)牙4.0與3G通信協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)關(guān)。硬件上采用S5PV210處理器作為主處理器，通過通用異步收發(fā)傳輸器（Universal Asynchronous Receiver/Transm itter，UART）連接CC2540藍(lán)牙芯片，使用USB連接3G模塊；軟件上基于Android操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙4.0模塊與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，3G模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)通信、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換以及節(jié)點(diǎn)管理等功能。

2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

基于藍(lán)牙4.0與3G的無線傳感器網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。硬件結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方案，主要由三部分組成：基于ARM Cortex-A 8架構(gòu)的S5PV 210微處理器，具備藍(lán)牙4.0通信能力的CC2540藍(lán)牙模塊以及支持TCP/IP協(xié)議的3G模塊。硬件上，S5PV210微處理器與藍(lán)牙CC2540模塊通過UART口相連，與3G模塊使用USB接口相連。另外，為能支持Android操作系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)等需要，該微處理器外擴(kuò)展了存儲(chǔ)器（SDRAM， NANDFLASH）、觸摸屏等外圍接口，共同構(gòu)成整個(gè)網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 CC2540藍(lán)牙模塊

在無線傳感器網(wǎng)中，節(jié)點(diǎn)能源與計(jì)算資源極其有限，為滿足節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的通信，選用低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議。傳感器節(jié)點(diǎn)［13］和網(wǎng)關(guān)均采用TI公司推出的CC2540藍(lán)牙芯片，該芯片集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器，最大傳輸率達(dá)1 M b/s，具備豐富的硬件資源，包括21個(gè)通用I/O端口、2個(gè)UART、3個(gè)定時(shí)器等。另外，低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議棧已固化到CC2540芯片上，這些資源共同構(gòu)成了高性價(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC），足以滿足網(wǎng)關(guān)中藍(lán)牙模塊對(duì)處理器的要求。CC2540芯片配合天線即可構(gòu)成藍(lán)牙收發(fā)器，S5PV210微處理器通過UART接口與該模塊連接。

2.2 3G模塊

目前，3G支持CDMA2000，TD-SCDMA，WCDMA 3種制式標(biāo)準(zhǔn)［14］的通信協(xié)議。很多廠家都推出了相應(yīng)制式的3G模塊，如ZTE公司推出的支持TD-SCDMA制式的ME3760、支持WCDMA制式的MG3732等。通常這些3G模塊均支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集，提供豐富的接口資源如UART接口、USIM卡接口、全速USB2.0接口?？紤]到開發(fā)成本及效率問題，本文網(wǎng)關(guān)選用支持cdma2000的ZTE AC581模塊，S5PV210微處理器通過USB接口控制該模塊。

2.3 S5PV210主控模塊

該模塊是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的核心部分：一方面需要控制CC2450藍(lán)牙模塊通信，接收臨時(shí)存儲(chǔ)在CC2540藍(lán)牙模塊中從節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)；另一方面，需要控制3G模塊以實(shí)現(xiàn)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信。另外，還需要管理無線傳感器網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的信息以及本地信息顯示等功能。無線傳感器網(wǎng)關(guān)的這些功能都需要一個(gè)高可靠性、強(qiáng)大處理能力的處理器。因此，本文選用SAMSUNG推出的S5PV210微處理器作為主控制器，該微處理器集成了ARM Cortex-A8核心，具有32 KB/32 KB I/D緩存，512 KB L2緩存，2個(gè)獨(dú)立的外部存儲(chǔ)器端口，4個(gè)通用異步收發(fā)器，USB Host2.0，ATA控制器等接口資源，支持A/D轉(zhuǎn)換器和觸摸屏界面等系統(tǒng)外設(shè)。內(nèi)部總線采用64位的架構(gòu)，為3G通信服務(wù)提供了最優(yōu)化的硬件性能?？紤]到S5PV 210處理器比CC2540芯片處理速率更快，系統(tǒng)還需連接外部存儲(chǔ)作為數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。另外，無線傳感器網(wǎng)關(guān)需要運(yùn)行Andriod操作系統(tǒng)，因此外擴(kuò)了256 MB的SLC NANDFLASH，512 MB DDR2RAM，64 MB SRAM，均采用集成在一起的SAMUNG芯片。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)關(guān)的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照硬件模塊化設(shè)計(jì)，無線傳感器網(wǎng)關(guān)軟件也可以分為三部分來實(shí)現(xiàn)：（1）通過CC2540藍(lán)牙模塊運(yùn)行藍(lán)牙4.0協(xié)議棧，并采用網(wǎng)絡(luò)處理器模式［12］實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙通信的建立，負(fù)責(zé)收發(fā)無線傳感器網(wǎng)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間約定好的數(shù)據(jù)包；（2）通過3G模塊使用AT命令，實(shí)現(xiàn)TCP通信的建立，負(fù)責(zé)處理網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的交互；（3）通過在S5PV210微處理器上運(yùn)行Andriod操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)向藍(lán)牙模塊和3G模塊發(fā)送控制信息、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、節(jié)點(diǎn)管理以及建立TCP多線程等服務(wù)。其中第（3）部分是整個(gè)網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)部分的關(guān)鍵，由于Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的，可將UART和USB接口作為字符設(shè)備來讀寫，同時(shí)可以移植點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（Point to Point Protocol，PPP）協(xié)議棧，為軟件提供高效的［15］。

圖2 網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu)

3.1 藍(lán)牙4.0通信設(shè)計(jì)

藍(lán)牙4.0支持主從通信模式，一個(gè)藍(lán)牙4.0主設(shè)備可以同時(shí)與3個(gè)從設(shè)備保持連接，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送完數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡(luò)中又可以添加新的節(jié)點(diǎn)，從而間接地添加了節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。藍(lán)牙的這種特點(diǎn)既可以使其構(gòu)成一個(gè)星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的微微網(wǎng)，又可以通過一種自組網(wǎng)路由算法組建一個(gè)更大廣播組拓?fù)湫问降纳⑸渚W(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。首先無線傳感網(wǎng)關(guān)主控模塊對(duì)藍(lán)牙4.0協(xié)議進(jìn)行初始化配置；接下來藍(lán)牙4.0模塊作為主設(shè)備以廣播的形式發(fā)送查詢廣播包，等待傳感器從設(shè)備節(jié)點(diǎn)對(duì)查詢包進(jìn)行應(yīng)答，應(yīng)答后獲取從設(shè)備的地址；然后發(fā)出建立ACL連接請(qǐng)求，傳感器從設(shè)備節(jié)點(diǎn)同意建立連接后，無線傳感器網(wǎng)關(guān)與傳感器節(jié)點(diǎn)就可根據(jù)兩者的連接句柄進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，藍(lán)牙通信流程如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙通信流程

3.2 3G通信設(shè)計(jì)

3G模塊通常支持2種與Internet網(wǎng)絡(luò)通信的方式：（1）使用模塊內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧；（2）使用外置的TCP/IP協(xié)議棧。由于Andriod操作系統(tǒng)內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，因此本文采用第（2）種方式。該模塊配置設(shè)置如下：（1）在交叉編譯環(huán)境中進(jìn)入make menuconfig配置ZTE AC581模塊的USB驅(qū)動(dòng)，并選擇將USB轉(zhuǎn)成串口；（2）添加PPP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，PPP協(xié)議設(shè)計(jì)的目的是通過撥號(hào)或者專線方式建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式。（3）編譯內(nèi)核并下載到無線傳感網(wǎng)關(guān)，在使用過程中可以通過ioctl函數(shù)庫(kù)（類似操作文件設(shè)備）對(duì)ZTE AC581模塊進(jìn)行讀寫。（4）配置撥號(hào)上網(wǎng)腳本，pppd在Android系統(tǒng)中是一個(gè)用戶空間的后臺(tái)服務(wù)進(jìn)程，因此可使用andriod adb，進(jìn)入“/dev/ppp”配置pppd選項(xiàng)，主要部分如下：

“ATDT*99#”命令將訪問GGSN（Gateway GPRS Supporting Node）［14］，當(dāng)獲得“CONNECT”字符串后，表示成功上網(wǎng)，IP地址和DNS地址將分配到撥號(hào)上網(wǎng)信息中，獲得IP地址后，主控模板的程序?qū)⒒赥CP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信服務(wù)。

3.3 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊軟件的設(shè)計(jì)是整個(gè)無線傳感器網(wǎng)關(guān)的重點(diǎn)，需要協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)關(guān)模塊的工作?？紤]到無線傳感器網(wǎng)關(guān)主要是負(fù)責(zé)對(duì)無線傳感器網(wǎng)中藍(lán)牙數(shù)據(jù)的收集以及方便轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程用戶查看和分析。因此，本文從這兩方面來分析其實(shí)現(xiàn)過程：

（1）無線傳感器網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)通信是通過UART串口連接的藍(lán)牙4.0主設(shè)備，通過該藍(lán)牙通信接口，無線傳感器網(wǎng)關(guān)需要實(shí)時(shí)訪問和監(jiān)控多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備。

因此，為高效快捷地處理無線傳感器網(wǎng)中的數(shù)據(jù)，本文采用如圖4所示的多線程工作方式，其中，數(shù)據(jù)收集線程（CollectDataThread）負(fù)責(zé)接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)定期發(fā)送的數(shù)據(jù)包，當(dāng)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，將其插入一個(gè)以隊(duì)列形式存儲(chǔ)的共享數(shù)據(jù)區(qū)；當(dāng)共享數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)不為空時(shí)，使用消息傳遞機(jī)制通知數(shù)據(jù)處理線程（Data Process Thread），該線程負(fù)責(zé)從共享存儲(chǔ)數(shù)據(jù)區(qū)中取出數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)包解析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)信息顯示。

圖4 網(wǎng)關(guān)采集數(shù)據(jù)流程

（2）無線傳感器網(wǎng)關(guān)與Internet通信是通過主控程序讀寫USB 3G模塊設(shè)備，并基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。無線傳感器網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程客戶端程序通信采用基于C/S架構(gòu)的設(shè)計(jì)方式?？赡苡卸鄠€(gè)擁有權(quán)限的用戶需要對(duì)無線傳感器網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看設(shè)置。因此，本文基于線程池技術(shù)來響應(yīng)一定的并發(fā)用戶。首先當(dāng)無線傳感器網(wǎng)關(guān)藍(lán)牙接口采集到數(shù)據(jù)的同時(shí)，3G模塊將初始化并進(jìn)行撥號(hào)上網(wǎng)，當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商獲得IP地址后，無線傳感器網(wǎng)關(guān)將通過socket建立一個(gè)TCP服務(wù)器線程不斷監(jiān)聽來自遠(yuǎn)程客戶端的連接請(qǐng)求，當(dāng)有遠(yuǎn)程客戶發(fā)送連接請(qǐng)求，TCP服務(wù)器首先會(huì)驗(yàn)證該用戶信息并判斷是否建立連接，若已經(jīng)建立連接，加載會(huì)話信息，若未建立連接并通過驗(yàn)證，將重新配置會(huì)話信息，然后從線程池中分配一個(gè)會(huì)話線程，該線程負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程用戶交互。2類線程的工作流程如圖5所示。

圖5 TCP服務(wù)線程及會(huì)話線程流程

4 數(shù)據(jù)傳輸

TCP/IP協(xié)議相比藍(lán)牙4.0協(xié)議速率高很多，無線傳感器網(wǎng)與Internert網(wǎng)這2種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)處理能力不同，軟件上提供處理的方法及效率也不同。因此，為了符合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)低功耗的特性，減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信量，提高網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)的高效性，同時(shí)能夠方便TCP服務(wù)器與遠(yuǎn)程客戶機(jī)解析無線傳感器網(wǎng)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，采用2種不同的統(tǒng)一格式應(yīng)用數(shù)據(jù)包：

（1）在無線傳感網(wǎng)關(guān)與無線傳感網(wǎng)之間通信，網(wǎng)關(guān)監(jiān)測(cè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)均以數(shù)據(jù)包的格式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。該數(shù)據(jù)包的格式如圖6所示。其中，提供3 Byte的標(biāo)識(shí)段，包括2 Byte的無線傳感器網(wǎng)節(jié)點(diǎn)唯一標(biāo)識(shí)ID，1 Byte的包類型；提供變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)段，包括1 Byte的數(shù)據(jù)類型、1 Byte的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及可變長(zhǎng)的數(shù)據(jù)，但一個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度不超過32 Byte；另外，為保證數(shù)據(jù)的安全性和完整性還提供1 Byte校驗(yàn)位和1 Byte結(jié)束符標(biāo)識(shí)。

圖6 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包統(tǒng)一格式

（2）在無線傳感網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)之間通信。當(dāng)遠(yuǎn)程用戶發(fā)送請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)話線程將解析命令，響應(yīng)用戶的請(qǐng)求?，F(xiàn)在使用的較多的方式有JSON和XML。由于Android API中提供了豐富的XML解析器，如SAX解析器、DOM解析器以及PULL解析器［13］。因此，本文采用類似XML-RPC［16］的方式，將用戶和網(wǎng)關(guān)通信中的數(shù)據(jù)封裝成XML格式，如用戶發(fā)送休眠ID為10的節(jié)點(diǎn)request-xm l示例，其中，command代表請(qǐng)求的命令；sensor代表節(jié)點(diǎn)實(shí)體：

下文為網(wǎng)關(guān)返回用戶請(qǐng)求ID為10的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的response-xm l示例。其中，sensor標(biāo)簽內(nèi)描述傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)體信息；entitys標(biāo)簽描述傳感器值信息，傳感器值的請(qǐng)求量取決于請(qǐng)求時(shí)設(shè)置的參數(shù)：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

按照本文提出的硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)藍(lán)牙4.0與3G網(wǎng)關(guān)的實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 基于藍(lán)牙4.0與3G的網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

為測(cè)試網(wǎng)關(guān)的性能，設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。通過部署3個(gè)藍(lán)牙4.0傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)物圖如圖8所示，與網(wǎng)關(guān)的藍(lán)牙4.0模塊組建成微微網(wǎng)，節(jié)點(diǎn)位置放置在射頻理論傳輸距離內(nèi)，節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是通過程序上模擬設(shè)置的測(cè)試數(shù)據(jù)，設(shè)定每隔5 s節(jié)點(diǎn)將向網(wǎng)關(guān)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，通過采用長(zhǎng)為16 Byte和32 Byte的數(shù)據(jù)包，從接收數(shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)、網(wǎng)關(guān)時(shí)延對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。另外，為測(cè)量網(wǎng)關(guān)在功耗方面的性能，本文分別對(duì)ZigBee，Wi-Fi以及藍(lán)牙4.0模塊正常運(yùn)行時(shí)的功耗進(jìn)行測(cè)量和對(duì)比分析，實(shí)驗(yàn)硬件上采用TI公司的CC2530 ZigBee模塊和CC3000 Wi-Fi模塊。

圖8 部署3個(gè)藍(lán)牙4.0傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖

5.1 網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)

網(wǎng)關(guān)接收數(shù)據(jù)是指主控模板從串口接收無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送給藍(lán)牙主模塊的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量該過程的丟包率。按照上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)串口波特率設(shè)置為4 800 bit/s和9 600 bit/s進(jìn)行測(cè)試，網(wǎng)關(guān)每次從串口讀取1 000個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)進(jìn)行一次丟包統(tǒng)計(jì)，每種實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行10次丟包統(tǒng)計(jì)后求平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 接收數(shù)據(jù)丟包率

從表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，對(duì)于不同的包長(zhǎng)度和波特率，接收數(shù)據(jù)的平均丟包率都非常低，丟包率平均值為0.05%，表明網(wǎng)關(guān)能高效準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)包。

5.2 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)

網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)是指將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)收集的信息通過網(wǎng)關(guān)的3G模塊轉(zhuǎn)發(fā)到Internet的這一過程，實(shí)驗(yàn)主要測(cè)量該過程的丟包率。按照上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在網(wǎng)關(guān)中設(shè)置計(jì)數(shù)器，每隔6 h統(tǒng)計(jì)一次，連續(xù)監(jiān)測(cè)24 h，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)丟包率

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，平均丟包率約為0.027%，遠(yuǎn)低于CCSA標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 網(wǎng)關(guān)時(shí)延

無線傳感器網(wǎng)關(guān)的時(shí)延是從串口中讀取一個(gè)完整數(shù)據(jù)到處理完成該數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，主要是為了衡量無線網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)的能力。按照上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)串口波特率為4 800 bit/s和9 600 bit/s進(jìn)行測(cè)試，網(wǎng)關(guān)每次從串口讀取1 000個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)進(jìn)行一次計(jì)算數(shù)據(jù)包平均時(shí)延，每種實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行10次時(shí)延計(jì)算后求平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 網(wǎng)關(guān)時(shí)延

從表3可以看出，在不同包長(zhǎng)度和波特率情況下，本文網(wǎng)關(guān)平均時(shí)延均很小小，平均值為8.48 ms，遠(yuǎn)低于CCSA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的平均時(shí)延上限100 m s，表明網(wǎng)關(guān)能及時(shí)處理數(shù)據(jù)包。

5.4 網(wǎng)關(guān)功耗

功耗高低在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中至關(guān)重要，給Zigbee、WiFi、藍(lán)牙4.0模塊依次提供3 V，5.5 V，3.6 V的供電電壓。使用萬用表測(cè)量網(wǎng)關(guān)在單獨(dú)使用各接入模塊發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以及休眠狀態(tài)下功耗，得到測(cè)量結(jié)果如表4所示。

表4 網(wǎng)關(guān)功耗mW

從表4可以看出，網(wǎng)關(guān)在處于休眠狀態(tài)時(shí)的功耗最低，正常發(fā)送和接收狀態(tài)下，藍(lán)牙4.0功耗最低，共117.8 mW，更適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而Wi-Fi功耗遠(yuǎn)大于其他2種模塊，不適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)關(guān)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)投入實(shí)際應(yīng)用的重要組成部分，起到網(wǎng)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的橋接作用。本文從硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)以及通信包設(shè)計(jì)方面，介紹一種基于短距離、低功耗藍(lán)牙4.0通信技術(shù)以及3G遠(yuǎn)程通信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、協(xié)議轉(zhuǎn)換、交互控制等功能。下一步可將本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)相融合應(yīng)用于智慧家居領(lǐng)域。

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編輯 陸燕菲

Design and Realization of Wireless Sensor Gateway Based on Bluetooth 4.0 and 3G

LIAO Pengfei，CHEN Qingkui
（School of Optical-electrical and Computer Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai200093，China）

Aiming at the problem that the communication protocol of Wireless Sensor Network（WSN）is not incompatibility with the Internet network，a wireless sensor gateway based on low-power bluetooth 4.0 communication technology and 3G is designed.The primary processor of the gateway is designed by microprocessor S5PV210，which is used to control the communication between CC2540 bluetooth module and wireless sensor node and operate the 3G module to communicate with Internet.The software platform of the gateway is based on Android operating system，which realizes data collection，network protocol conversion，interactive control between WSN and Internet network.Test result shows that the gateway has low packet loss rate of receive and forward data，latency and power consumption，and it can ensure efficient communication between WSN and Internet network.

Wireless Sensor Network（WSN）；bluetooth 4.0；Android system；Wireless sensor gateway；TCP/IP protocol

廖鵬飛，陳慶奎.基于藍(lán)牙4.0與3G的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2015，41（9）：13-18，24.

英文引用格式：Liao Pengfei，Chen Qingkui.Design and Realization of Wireless Sensor Gateway Based on Bluetooth 4.0 and 3G［J］.Computer Engineering，2015，41（9）：13-18，24.

1000-3428（2015）09-0013-06

A

TP391

10.3969/j.issn.1000-3428.2015.09.003

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（60970012）；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研博導(dǎo)基金資助項(xiàng)目（20113120110008）；上海市一流學(xué)科建設(shè)基金資助項(xiàng)目（XTKX2012）；上海市工程中心建設(shè)基金資助項(xiàng)目（GCZX14014）；上海市科委科技攻關(guān)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目（14511107902）；滬江基金研究基地專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（C14001）；上海智能家居大規(guī)模物聯(lián)共性技術(shù)工程中心基金資助項(xiàng)目（GCZX14014）。

廖鵬飛（1989-），男，碩士研究生，主研方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；陳慶奎，教授、博士、博士生導(dǎo)師。

2014-10-17

2014-11-24 E-m ail：liao_pf@sina.cn