基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)

胡江波++顏歡

摘要：基于物聯(lián)網(wǎng)在物體感知方面的應(yīng)用、拓展整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的感知范圍，創(chuàng)建一個(gè)全新的基于物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，該網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)和一個(gè)基站組成，其中節(jié)點(diǎn)的中央控制器為Cortex-M0、基站的中央控制器為Cortex-A9，自主開(kāi)發(fā)的無(wú)線鏈路層協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)控制層協(xié)議確保整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)用范圍十分廣泛如智能家居、智慧物流、智慧停車場(chǎng)等。該網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、節(jié)點(diǎn)功耗低、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性以及可靠性好.

關(guān)鍵詞：Linux；Cortex-A9；物聯(lián)網(wǎng)；智慧城市

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）06-0021-03

Wireless Sensor Network Platform Based on Internet of Things

HU Jiang-bo，YAN Huan

（School of Electronic and Electrical Engineering， Wuhan Textile University， Wuhan 430000， China）

Abstract： the application of machine to machine base on Internet of things， expanding the scope of the entire perception of the internet， creates a new web platform. The network consists of multiple sensor nodes and a base station in which the central controller node is Cortex-M0 and the central control station Cortex-A9，self-developing wireless link layer protocol as well as network control layer protocol to ensure the stable operation of the entire network. This Platform can be applied to many directions. Such as smart home， wisdom logistics， wisdom parking， wide coverage， low-power of node， good stability and reliability.

Key word： linux；cortex-a9；internet of things；smart city

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的興起，國(guó)家也推出“感知中國(guó)”的口號(hào)大力推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)發(fā)展。由此大研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)組織都大力投資物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)，世界范圍內(nèi)也有各大聯(lián)盟開(kāi)始定義物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)母鞣N協(xié)議。在設(shè)計(jì)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)時(shí)就利用了歐洲比較流行的物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議（LORA），此網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：1）自主設(shè)計(jì)的無(wú)線鏈路協(xié)議以及網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行；2）基站的覆蓋范圍廣，節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射頻信號(hào)的穩(wěn)定信息傳輸范圍可以達(dá)到3Km，這是藍(lán)牙、ZigBee技術(shù)難以達(dá)到的，最大限度的拓寬傳感節(jié)點(diǎn)的感知范圍；3）傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗，傳感節(jié)點(diǎn)待機(jī)功耗最低可達(dá)3uA，盡量延長(zhǎng)電池使用壽命降低使用成本。

1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)如圖1 所示分為兩部分，第一、傳感節(jié)點(diǎn)；第二、基站。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器組成且節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間無(wú)法通信，基站可以與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所以節(jié)點(diǎn)通信，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間的通信只能通過(guò)基站進(jìn)行。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 基站

如圖2所示，基站主控CPU采用Cortex-A9處理器（三星Exynos 4412），Cortex-A9為基于ARM架構(gòu)的處理器，有強(qiáng)悍的事務(wù)控制能力以及不俗的運(yùn)算處理能力，還有非常豐富的GPIO接口以及SPI，IIC等總線接口，而此處的無(wú)線射頻模塊與CPU的通信都是基于SPI總線進(jìn)行，CPU上主要運(yùn)行經(jīng)裁剪的Linux 內(nèi)核。通過(guò)內(nèi)核來(lái)管理整個(gè)基站平臺(tái)軟件的運(yùn)行，大大降低了軟件開(kāi)發(fā)成本和縮短軟件開(kāi)發(fā)周期，我們只需要開(kāi)發(fā)出獨(dú)立的SX1276外設(shè)驅(qū)動(dòng)軟件以及應(yīng)用層軟件即可。

射頻模塊采用2顆Semtech SX1276芯片，分別為RF0和RF1，兩個(gè)RF單元工作在同一個(gè)頻點(diǎn)，采用2根獨(dú)立的天線。SX1276射頻模塊有著十分強(qiáng)悍的通信能力，十分突出的低功耗性能，最主要的是通過(guò)擴(kuò)頻調(diào)制的方式其信號(hào)覆蓋范圍比較廣，在低速情況下高達(dá)5Km的覆蓋范圍，十分符合此處開(kāi)發(fā)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的要求。且SX1276上有著豐富的外接口，如GPIO接口、SPI接口、IIC接口等。

Exynos4412通過(guò)SPI總線對(duì)Sx127x進(jìn)行狀態(tài)切換和收發(fā)控制，Sx127x通過(guò)終端信號(hào)和狀態(tài)指示通知Exynos4412當(dāng)前工作狀態(tài)。

2.2 節(jié)點(diǎn)

如圖3所示，節(jié)點(diǎn)的主控CPU為Cortex-M0 （DA14580），擁有多個(gè)GPIO管腳以及SPI和IIC總線接口，方便外接各種傳感器如溫濕度傳感器、陀螺儀等，射頻采用1個(gè)Semtech SX1276芯片。

DA14580通過(guò)SPI總線對(duì)Sx1276進(jìn)行狀態(tài)切換和收發(fā)控制，Sx1276通過(guò)終端信號(hào)和狀態(tài)指示通知DA14580當(dāng)前工作狀態(tài)。

3 無(wú)線鏈路協(xié)議介紹

首先介紹該小節(jié)之前我們先解釋幾個(gè)概念：Radio Link Protocol 簡(jiǎn)稱RLP，即無(wú)線鏈路層協(xié)議， HAL表示硬件抽象層，那么RLP HAL 即為無(wú)線鏈路協(xié)議的硬件抽象層。

3.1 物理層定義

1） 基站用頻分組網(wǎng)；

2） 系統(tǒng)多址方式：TDMA；

3） 提供不低于14dBm的最大發(fā)射功率；

4） 接收靈敏度可達(dá)-146dBm；

5） 滿足覆蓋范圍不低于3公里的鏈路預(yù)算。

功能要求：

1） 節(jié)點(diǎn)支持上下行雙向通信；

2） 支持競(jìng)爭(zhēng)搶占和非競(jìng)爭(zhēng)搶占的兩種通信模式；

3） 支持?jǐn)?shù)據(jù)的加密；

4） 支持節(jié)點(diǎn)的接入、注冊(cè)、認(rèn)證和切換；

5） 用戶可以獲得每個(gè)終端的信息和狀態(tài)，包括類型、休眠/運(yùn)行時(shí)間、在線/離線、數(shù)據(jù)流量、速率等級(jí)、優(yōu)先級(jí)等；

6） 用戶可以設(shè)置每個(gè)終端的優(yōu)先級(jí)、速率等級(jí)、定時(shí)上報(bào)間隔等參數(shù)；

7） 單基站可以允許接入不少于1000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

從簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處非競(jìng)爭(zhēng)搶占暫時(shí)不做介紹。

3.2 RLP 組成和接口

整個(gè)RLP組成和接口如圖4所示：

即在節(jié)點(diǎn)端通過(guò)RLP協(xié)議將傳感器獲知的初始信息上行傳遞給基站的端，基站端向節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔⒁餐ㄟ^(guò)RLP協(xié)議下行傳送到節(jié)點(diǎn)端。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖5所示，整個(gè)系統(tǒng)軟件分為兩部分，節(jié)點(diǎn)端和基站端。二者全部都是用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)的，節(jié)點(diǎn)端無(wú)操作系統(tǒng)整個(gè)軟件架構(gòu)比較簡(jiǎn)單，詳細(xì)軟件系統(tǒng)如下圖所示。

首先分析節(jié)點(diǎn)部分，節(jié)點(diǎn)的物理架構(gòu)從下往上依次是：傳感器（溫濕度傳感器）、gps模塊、無(wú)線射頻模塊（SX1276），DA14580中央處理器；軟件架構(gòu)則是：傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、SX1276驅(qū)動(dòng)模塊，無(wú)線鏈路層的硬件抽象層、無(wú)線鏈路層模塊，應(yīng)用軟件。

基站部分，基站物理架構(gòu)從下往上一次是：無(wú)線射頻模塊（SX1276），CPU（三星exynos4412）；

軟件架構(gòu)：SX1276驅(qū)動(dòng)模塊，操作系統(tǒng)層（Linux），無(wú)線鏈路硬件抽象層，網(wǎng)絡(luò)控制層，應(yīng)用層。

節(jié)點(diǎn)與基站端的通信是通過(guò)無(wú)線射頻模塊（SX1276）來(lái)進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)與基站通信必須遵循無(wú)線鏈路層協(xié)議（RLP）。

4.1 節(jié)點(diǎn)端

節(jié)點(diǎn)端的工作模式主要有：休眠、待機(jī)、工作。其中休眠狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)端的外設(shè)均處于休眠狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)本身也處于休眠狀態(tài)，只有基站端額信號(hào)能夠喚醒。

待機(jī)狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)端的CPU 正常工作，節(jié)點(diǎn)外設(shè)傳感器均處于休眠狀態(tài)等待基站端的進(jìn)一步命名才進(jìn)行狀態(tài)切換。

工作狀態(tài)：節(jié)點(diǎn)端CPU正常工作，外設(shè)傳感器正常工作采集信息并進(jìn)行信息的傳輸。

大多數(shù)情況下節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)以降低節(jié)點(diǎn)功耗。

4.2 基站端

此處我們?nèi)耘f先解釋幾個(gè)概念，NCP （網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議）、NMP（網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）。這兩處協(xié)議主要是外接到云服務(wù)器的接口，與內(nèi)網(wǎng)關(guān)聯(lián)不大，此處不做過(guò)多介紹。

基站應(yīng)用程序的功能模塊劃分如下圖6所示。

程序分為四個(gè)模塊，即四個(gè)處理線程：

主線程：實(shí)現(xiàn)程序的初始化，包括收發(fā)器設(shè)備的初始化，軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初始化，和NMP建立網(wǎng)絡(luò)連接并注冊(cè)等，然后創(chuàng)建另三個(gè)處理線程。

RLP數(shù)據(jù)下發(fā)模塊：該線程負(fù)責(zé)向終端下發(fā)數(shù)據(jù)，包括：基站定時(shí)下發(fā)信標(biāo)幀，用于終端和基站的時(shí)鐘同步； RLP交互處理模塊處理完成后需回傳給終端的確認(rèn)命令；NMP需透?jìng)鞯浇K端的命令。

RLP接收處理模塊：接收終端上傳的數(shù)據(jù)，解析并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作：對(duì)于發(fā)往基站的數(shù)據(jù)，解析并執(zhí)行相應(yīng)的處理流程（如終端的接入請(qǐng)求），處理完成后將確認(rèn)數(shù)據(jù)交給RLP數(shù)據(jù)下發(fā)模塊發(fā)送到終端；對(duì)于發(fā)往NMP的數(shù)據(jù)，使用NCP協(xié)議打包后轉(zhuǎn)發(fā)到NMP。

NCP交互處理模塊：1）接收NMP下發(fā)的數(shù)據(jù)，解析并執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作：對(duì)于發(fā)往終端的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)交給RLP數(shù)據(jù)下發(fā)模塊路由到對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)終端；對(duì)于發(fā)往基站的數(shù)據(jù)，直接解析執(zhí)行對(duì)應(yīng)操作（如基站工作參數(shù)設(shè)置等）。2）將基站需上傳到NMP的數(shù)據(jù)（如基站注冊(cè)請(qǐng)求）或終端需透?jìng)鞯絅MP的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絅MP。

5 網(wǎng)絡(luò)功能測(cè)試

完成全部軟硬件的開(kāi)發(fā)工作后，我們先測(cè)試了節(jié)點(diǎn)端的功耗，在待機(jī)時(shí)的工作電流最低為3微安。節(jié)點(diǎn)端的工作電流最大為3毫安。跟預(yù)期的要好。

然后我們單獨(dú)測(cè)試無(wú)線射頻模塊信號(hào)的覆蓋范圍，我們先配置一個(gè)節(jié)點(diǎn)端A，A每隔1秒中在特定的頻率下發(fā)送10個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后再拿著節(jié)點(diǎn)B，B配置為一直接收信息的狀態(tài)。B節(jié)點(diǎn)設(shè)置為信息通過(guò)串口向PC端打印出來(lái)，統(tǒng)計(jì)B在移動(dòng)過(guò)程中的丟包率。

由于我們的應(yīng)用主要基于低速信息傳輸。故而此處碼率設(shè)置為178 byte/s。測(cè)試結(jié)果：1、同一水平面范圍內(nèi)的覆蓋距離為3Km 左右；2、若將其中的接受端B架到樓頂，則覆蓋范圍可達(dá)5Km左右，大大超乎預(yù)期。

最后我們將基站配置好，并在基站端內(nèi)置3G模塊，來(lái)使得基站能夠與云服務(wù)器互聯(lián)，然后將基站置于室外各種場(chǎng)景中，在其一公里的范圍內(nèi)隨機(jī)的分布節(jié)點(diǎn)端的設(shè)備。通過(guò)服務(wù)器平臺(tái)能夠快速準(zhǔn)確的訪問(wèn)到各個(gè)節(jié)點(diǎn)，并實(shí)時(shí)的檢測(cè)各節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)、以及經(jīng)緯度等數(shù)據(jù)。最后確定在以基站為中心，半徑1公里的范圍內(nèi)分布節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性最好，丟包率最低，整個(gè)測(cè)試結(jié)果明顯由于之前的預(yù)期。

6 總結(jié)

該平臺(tái)基于物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)自組網(wǎng)的形式成功的開(kāi)發(fā)出了一個(gè)低速、低功耗、覆蓋范圍管的傳感網(wǎng)絡(luò)，且后期升級(jí)到云端互聯(lián)也十分容易，該網(wǎng)絡(luò)可靠性強(qiáng)、性價(jià)比高、且能夠在各種實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景如：森林防火、智慧城市、智慧交通、智慧物流中，發(fā)揮實(shí)際作用，目前市場(chǎng)上類似的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)大多基于ZigBee，藍(lán)牙、WIFI等，覆蓋距離都比較局限。而該網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)則大大拓寬了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離、降低了整個(gè)設(shè)備的功耗。并且后期可以為云計(jì)算、大數(shù)據(jù)挖掘提供源源不斷的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，應(yīng)用前景十分廣闊，可以大大推進(jìn)“智慧城市、智慧交通、智慧物流的”進(jìn)程。

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