基于4G無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立

摘 要：無線傳感器系統(tǒng)是由傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)中心共同組成，系統(tǒng)收集到的信息由傳感器節(jié)點(diǎn)首先進(jìn)行加密以及編碼等的處理，然后用近程無線通信模塊上傳到數(shù)據(jù)中心；傳感器節(jié)點(diǎn)上傳來的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)中心編碼、加密、壓縮，之后再經(jīng)過4G無線網(wǎng)絡(luò)這一途徑上傳到數(shù)據(jù)服務(wù)器。該系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是能耗量低、前期投入少、可靠而且環(huán)保，能夠在生活中廣泛地應(yīng)用。

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-7344（2018）24-0312-02

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是一種網(wǎng)絡(luò)，它由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的，這種網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)地觀察和感知布置采集節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)特別的事物的各種信息（如溫度、光強(qiáng)、濕度），系統(tǒng)先對(duì)這些由網(wǎng)絡(luò)采集到的信息進(jìn)行處理，然后再將這些信息以無線的形式發(fā)送出去，通過4G無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給最終的終端用戶。隨著科學(xué)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)的快速發(fā)展和逐漸趨向成熟，能夠感知、計(jì)算、通信、路由功能的微傳感器節(jié)點(diǎn)不停地更新?lián)Q代，由這些節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特別地受關(guān)注。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等方面的廣泛運(yùn)用而成為當(dāng)今最受歡迎的科研方向之一，被公認(rèn)是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義的新興技術(shù)。本研究主要研究基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的WSN信息遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)，目的是找尋一種高效經(jīng)濟(jì)、能夠適用于較大數(shù)據(jù)量的遠(yuǎn)程傳輸方式。當(dāng)前，針對(duì)基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的WSN數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，盡管有大量廠商和研究者對(duì)其進(jìn)行研究，但其大多都處在起步階段，還不夠成熟，需要進(jìn)行更深層次的研究和開發(fā)。本課題著重于分析并研究如何有效地利用4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)并降低成本高效傳輸，而且能夠保障數(shù)據(jù)的正確性、完整性，以便于滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)或無internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域下WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，完善對(duì)WSN覆蓋區(qū)域的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的。

1.2 研究意義

本項(xiàng)目分析并研究如何有效利用4G通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的低成本高效傳輸，并能夠保障在數(shù)據(jù)的正確性、完整性，以便于滿足偏遠(yuǎn)地區(qū)或無internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域下WSN數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸要求，完成對(duì)WSN覆蓋區(qū)域的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目的。本項(xiàng)目能將WSN與4G通信技術(shù)有效地結(jié)合在一起，在需要遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)給定區(qū)域的實(shí)際應(yīng)用中具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)引起了全世界廣泛地關(guān)注，被認(rèn)定是互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被認(rèn)為是21世紀(jì)最具影響的技術(shù)之一，位居改變世界的十大新興技術(shù)之首，是全球未來的四大高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究及其應(yīng)用方面，我國與發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬剑呀?jīng)成為我國在信息領(lǐng)域位居世界前列的少數(shù)項(xiàng)目之一。

2 項(xiàng)目內(nèi)容

研究一種新型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是同構(gòu)分組的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在許多情況下，傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)布置在某一個(gè)區(qū)域，而且節(jié)點(diǎn)事先無法知道自身所處的位置，因此需要在節(jié)點(diǎn)部署后通過定位技術(shù)來獲取自身的位置信息。目前定位技術(shù)最常用的就是GPS（Global Positioning System），通過衛(wèi)星它能夠?qū)?jié)點(diǎn)進(jìn)行定位，而且能夠達(dá)到較高的精度和準(zhǔn)確度。如果想要定位布置區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，最方便簡單的就是在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上配備一個(gè)GPS接收器。

3 項(xiàng)目設(shè)計(jì)

本作品為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以為嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選擇器件，充分將嵌入式技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)以及GPRS技術(shù)融為一體，很完美地完成了此次研究的內(nèi)容。

3.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由由三方面構(gòu)成，它們分別是傳感器節(jié)點(diǎn)（sensornode）、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（sinknode）和終端用戶。在監(jiān)測(cè)區(qū)域布置大量的相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)通過系統(tǒng)設(shè)定的方式構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)收集到的大量數(shù)據(jù)經(jīng)過系統(tǒng)元件上傳到到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合、分析等處理后，然后用有線或無線的方式將數(shù)據(jù)傳送給最后的終端用戶。用戶通過終端對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和使用，發(fā)布監(jiān)測(cè)指令和采集觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)及其功能

作為布置區(qū)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)連接外部網(wǎng)絡(luò)或終端的橋梁，海量的數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來處理，必須要具備迅速、海量存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程傳輸?shù)鹊墓δ埽辞捌诔杀就度氲?、能耗量少。布置在環(huán)境條件比較復(fù)雜的區(qū)域，因?yàn)殚L期多次更換能源很困難，所以要考慮到充足的能源，整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一就是低功耗設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和設(shè)置。

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

依據(jù)設(shè)計(jì)原則，在很好地實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能的同時(shí)，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用有線方式（如串口電纜RS232）與終端用戶相連而導(dǎo)致的移動(dòng)范圍受限、遠(yuǎn)程監(jiān)控困難、不能準(zhǔn)確提供基準(zhǔn)定位信息等一系列缺點(diǎn)，參照當(dāng)今較為前沿的嵌入式技術(shù)、來短程的無線通信技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 采集核心模塊

采用當(dāng)今較為主流的ARMSTM32F103C8T6作為采集數(shù)據(jù)處理器。STM32F103Cortex-M3的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)⒛芎牡?、成本低、性能?者結(jié)合，在工控行業(yè)，終端用戶提出超快的中斷速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中斷技術(shù)，全部基于硬件進(jìn)行中斷處理技術(shù)，最多可減少12個(gè)時(shí)鐘周期數(shù)，在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行中可減少70%中斷。而且Cortex-M3的處理精度比STC系列的單片機(jī)處理精度要高，并且它的穩(wěn)定性好，既能滿足消費(fèi)者對(duì)于高精度要求，也能為我們開發(fā)產(chǎn)品提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。

4.2 傳感器模塊

4.2.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有以校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。傳感器由一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件組成，傳感器可以檢測(cè)周圍環(huán)境的濕度和溫度；并與一個(gè)高性能32位STM32F103單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有性能優(yōu)越，反應(yīng)快速，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。

（1）濕度測(cè)量范圍：20～95%（0～50℃范圍）濕度測(cè)量誤差：±5%。

（2）溫度測(cè)量范圍：0～50℃溫度測(cè)量誤差：±2℃。

（3）工作電壓3.3～5V。

（4）輸出形式數(shù)字輸出的溫度及濕度。

4.2.2 BH1750FVI光照傳感器

BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用它的高分辨率這一優(yōu)點(diǎn)可以探測(cè)較大范圍的光強(qiáng)度變化。

4.3 ESP8266WIFI模塊

ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透?jìng)髂K，擁有同一領(lǐng)域極富競(jìng)爭(zhēng)力的封裝尺寸和超低能耗技術(shù)，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。硬件接口多樣化，適用于各種物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)合，可支持UART，IIC，PWM，GPIO，ADC等。

特性：

（1）支持無線802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)。

（2）支持STA/AP/STA+AP三種工作模式。

（3）內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持多路TCPClient連接。

（4）支持豐富的SocketAT指令。

（5）支持UART/GPIO數(shù)據(jù)通信接口。

（6）支持SmartLink智能聯(lián)網(wǎng)功能。

（7）支持遠(yuǎn)程固件升級(jí)（OTA）。

（8）內(nèi)置32位MCU，可兼作應(yīng)用處理器。

（9）超低能耗，適合電池供電應(yīng)用。

（10）3.3V單電源供電。

4.4 Zigbee無線模塊

采用無線串口ZigBee模塊，相比傳統(tǒng)的ZigBee，不僅無需了解復(fù)雜的協(xié)議棧，而且地址可配置，更簡單、更穩(wěn)定，使得開發(fā)更加方便快捷。模塊上電后會(huì)自動(dòng)組成多跳網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，完全不需要用戶干預(yù)。每個(gè)模塊都可以給網(wǎng)絡(luò)中的隨便一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)。帶有確認(rèn)傳輸功能，無線傳輸使用CRC校驗(yàn)，最多重傳15次。網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的繼續(xù)運(yùn)行，具有很強(qiáng)的性能。最大可支持130個(gè)模塊組成網(wǎng)絡(luò)，模塊地址可通過Uart進(jìn)行修改。單個(gè)包長可達(dá)63字節(jié)，帶有數(shù)據(jù)包緩沖機(jī)制。使用uart作為交互接口。波特率可調(diào)。使用長度可變的包傳輸數(shù)據(jù)，使用安全的數(shù)據(jù)模式。支持端口分割機(jī)制。程序工作比較穩(wěn)定。操作系統(tǒng)基于線程切片，工作穩(wěn)定。使用內(nèi)存池代替堆完成動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，長期工作不產(chǎn)生內(nèi)存文件。模塊帶有相應(yīng)的指示燈。模塊帶有相應(yīng)的定位指示燈，可以在別處點(diǎn)亮，方便尋找。

4.5 電源模塊

而本研究項(xiàng)目為了提供大容量電量并且穩(wěn)定輸出的電壓，以便于使用持久，電壓選擇多等，因此使用大電容量12V鋰電池，經(jīng)過LM2596ADJDC-DC降壓電源模塊能夠?qū)?2V的電壓降壓至3.3V，輸出電流穩(wěn)定，能夠滿足作品各部分對(duì)電壓要求。其中LM2596ADJDC-DC降壓電源模塊和AMS1117-3.3V穩(wěn)壓模塊是購買成品模塊。

5 軟件算法

（1）節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫濕度的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過ZigBee模塊將這些數(shù)據(jù)傳送給主節(jié)點(diǎn)。

（2）主節(jié)點(diǎn)能夠接收各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，直接經(jīng)過WIFI模塊發(fā)送到新浪云平臺(tái)，然后新浪云平臺(tái)保存數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)在手機(jī)APP同步顯示出來。

6 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果

給系統(tǒng)通電后，手機(jī)APP能夠正確地顯示每個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)過很多次測(cè)試，由于網(wǎng)絡(luò)以及其性能問題，應(yīng)該會(huì)有幾秒鐘的延遲，但是影響不大。

基金項(xiàng)目：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（201710066047）。

收稿日期：2018-7-13