基于433MHZ短距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

魯立

摘要：該文通過構(gòu)建一個(gè)簡單的433MHZ短距離無線通訊網(wǎng)絡(luò)物聯(lián)網(wǎng)的末梢網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究基于433MHZ無線傳感網(wǎng)構(gòu)架的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、短距離網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理及傳送；實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡單的短距離無線底層網(wǎng)絡(luò)平臺。在該短距離無線底層網(wǎng)絡(luò)平臺中實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)智能化識別功能，節(jié)點(diǎn)無線網(wǎng)絡(luò)接入和數(shù)據(jù)信息處理。

關(guān)鍵詞：傳感器；節(jié)點(diǎn)；協(xié)議；架構(gòu)

無線傳感網(wǎng)也是物聯(lián)網(wǎng)，這種無線傳感網(wǎng)絡(luò)會通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分布在不同地點(diǎn)的各種傳感器節(jié)點(diǎn)連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議將傳感器節(jié)點(diǎn)收集的數(shù)據(jù)傳送給中央處理單元，中央處理單元會按照軟件設(shè)計(jì)的策略處理數(shù)據(jù)并給傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令。無線傳感網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)通常會應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、程序設(shè)計(jì)、通信技術(shù)等相關(guān)多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。

1無線傳感網(wǎng)總體框架的設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的框架設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部分和軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)部分；底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)部分主要是指傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、主控制結(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備的配置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的設(shè)計(jì)，這些都主要是硬件框架的設(shè)計(jì)；軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)部分主要是指服務(wù)器軟件系統(tǒng)的開發(fā)、底層網(wǎng)絡(luò)軟件的設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的編程。

無線傳感網(wǎng)是通過底層網(wǎng)絡(luò)收集傳感器終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過433MHZ無線通信協(xié)議發(fā)送給主控制器，主控制器使用單片機(jī)技術(shù)和軟件處理底層數(shù)據(jù)，并將處理好的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)和3G/4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給后臺中央處理服務(wù)器，中央處理服務(wù)器會使用服務(wù)器軟件系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)并采用設(shè)計(jì)好的策略，發(fā)送指令控制主控制器和傳感器終端，無線傳感網(wǎng)的硬件框架如圖1。

2無線傳感網(wǎng)的硬件框架

無線傳感網(wǎng)的硬件框架包括：傳感器節(jié)點(diǎn)、主控制結(jié)點(diǎn)、服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)路由交換設(shè)備。其中傳感器節(jié)點(diǎn)、主控制結(jié)點(diǎn)通過433MHZ的網(wǎng)絡(luò)無線通訊協(xié)議組成底層前端末梢網(wǎng)絡(luò)，它們是無線傳感網(wǎng)的核心部分。

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)是前端末梢網(wǎng)絡(luò)的核心硬件，它負(fù)責(zé)收集、分析數(shù)據(jù)，接受上級的控制指令，傳送基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行底層前端末梢網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)功能。它主要由電源模塊、基礎(chǔ)單片機(jī)電路、控制電路、通訊電路組成，主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（2）主控制結(jié)點(diǎn)

主控制結(jié)點(diǎn)實(shí)際是在網(wǎng)絡(luò)底層節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上加上一臺計(jì)算機(jī)，所以網(wǎng)絡(luò)底層節(jié)點(diǎn)是可以直接連接這臺主控制結(jié)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)的，它們可以直接通訊；但同時(shí)主控制結(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)也可以連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（路由器和交換機(jī)），通過互聯(lián)網(wǎng)和3G/dG網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器通訊；所以，主控制結(jié)點(diǎn)是底層網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁。還要說明的是，如果某個(gè)網(wǎng)絡(luò)底層節(jié)點(diǎn)損壞，主控制結(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)將隨機(jī)選取另一個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，重新恢復(fù)組網(wǎng)，不會因?yàn)槟承╆P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的損壞導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。

（3）服務(wù)器

該服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)器，負(fù)責(zé)接收底層網(wǎng)絡(luò)傳送來的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并提供軟件系統(tǒng)分析出來這些數(shù)據(jù)，為用戶提供管理界面；同時(shí)也負(fù)責(zé)按照程序策略發(fā)送控制指令給底層網(wǎng)絡(luò)，使底層傳感器按照策略發(fā)生動作。

（4）網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備主要指路由器和交換機(jī)，主要負(fù)責(zé)通過協(xié)議與主控制結(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)連接，將底層網(wǎng)絡(luò)與上層網(wǎng)絡(luò)連接。

3無線傳感網(wǎng)的軟件框架

軟件總體框架目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)短距離無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)存儲、分析、管理；策略的設(shè)計(jì)、生成以及指令的發(fā)送、執(zhí)行。這里的軟件包括服務(wù)器軟件系統(tǒng)、上位機(jī)軟件系統(tǒng)、底層網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)。

（1）服務(wù)器軟件系統(tǒng)

服務(wù)器軟件系統(tǒng)一般采用web程序設(shè)計(jì)的瀏覽器朋艮務(wù)器的開發(fā)模式，負(fù)責(zé)管理、分析數(shù)據(jù)的同時(shí)，也要負(fù)責(zé)生成策略和發(fā)送指令；所以，我們需要在服務(wù)器上部署網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（web服務(wù)）和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，如下圖3所示。服務(wù)器軟件系統(tǒng)提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理和操作的界面，提供相關(guān)的用戶授權(quán)認(rèn)證，提供數(shù)據(jù)查詢的視圖；用戶可以使用計(jì)算機(jī)、手機(jī)等有線、無線的終端接人設(shè)備訪問web服務(wù)器，使用服務(wù)器軟件系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，發(fā)送指令等。

（2）上位機(jī)軟件系統(tǒng)

上位機(jī)軟件系統(tǒng)實(shí)際是主控制結(jié)點(diǎn)本地計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的一套軟件系統(tǒng)；因?yàn)橹骺刂平Y(jié)點(diǎn)本地計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)連接底層網(wǎng)絡(luò)和上層網(wǎng)絡(luò)，所以上位機(jī)軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)接收底層網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制和連接底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，連接上層網(wǎng)絡(luò)路由，發(fā)送數(shù)據(jù)給服務(wù)器存儲。

（3）底層網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)

底層網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)的控制以及無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的聯(lián)網(wǎng)管理。在此需要特別說明，現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)的無線協(xié)議一般是使用IEEE 802.15.4規(guī)范的Zigbee協(xié)議，但是由于Zigbee協(xié)議網(wǎng)址可變，尋址機(jī)制不可靠；工作信道固定，干擾較大；而且容量較小等缺點(diǎn)；所以，我們選用433MHZ的芯片來實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)工作，同時(shí)采用樹型組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)末梢底層網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。

無線傳感網(wǎng)將越來越廣泛的應(yīng)用于人們的生活；但是現(xiàn)在的基于Zigbee協(xié)議的無線傳感網(wǎng)有它自身的一些缺點(diǎn)，我們選擇基于d33MHZ的通信方式設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)的架構(gòu)；為短距離無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用提供一種思路。