張正華，殷有燁，湯 旭

（揚州大學信息工程學院，江蘇揚州225000）

0 引言

自然環(huán)境與人類生產(chǎn)生活密切相關，對于環(huán)境中一些重要參數(shù)的及時獲取，可以有效地幫助人們解決實際生產(chǎn)生活中所遇到的問題。近年來物聯(lián)網(wǎng)技術日新月異。人們可以借助于物聯(lián)網(wǎng)的技術及時準確地獲取自己想要的環(huán)境數(shù)據(jù)。以基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術是目前比較流行的一種近程通信技術手段[1]。在環(huán)境監(jiān)測應用中，通過其自組網(wǎng)和多跳技術的方式[2]，能夠滿足普通環(huán)境下終端監(jiān)測節(jié)點傳回數(shù)據(jù)的要求。然而為了使得環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)適用于更為復雜的野外環(huán)境，可以考慮通過多種無線通信的方式（比如GPRS、Wi-Fi以及藍牙等技術）實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，從而要求環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的網(wǎng)關能夠?qū)Χ喾N傳輸協(xié)議下所傳輸?shù)男畔⑦M行解析，數(shù)據(jù)格式轉換，實現(xiàn)網(wǎng)關能夠廣泛接入多種通信技術。這也是目前物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關研究熱點之一，其應用前景較為廣闊。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的總體設計

一個完整的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，一般是由3大部分組成:無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）、網(wǎng)關和后臺監(jiān)控中心。在文中選取TI公司的片上系統(tǒng)CC2430芯片和SHT11的溫濕度傳感器，通過I2C總線將其構建成環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的終端節(jié)點。終端的傳感器節(jié)點分布在所要監(jiān)測的環(huán)境區(qū)域內(nèi)，同時能夠正確地采集監(jiān)測范圍內(nèi)的溫度和濕度信息，并且各個節(jié)點能在監(jiān)測范圍內(nèi)以自組網(wǎng)的方式構建網(wǎng)絡，然后以多跳技術方式將數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關部分。網(wǎng)關部分對接收到的數(shù)據(jù)進行一系列的重新打包處理，最后選擇通過Wi-Fi的傳輸方式上傳至監(jiān)控中心。對于整體系統(tǒng)只做了個簡要概述，主要針對網(wǎng)關系統(tǒng)進行了研究。

2 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)關系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

三星公司的基于ARM9架構的S3C2440[3]微處理器是一款高性能、低功耗的16/32位的RISC處理器[4]。這款微處理器主頻高達400MHz，擁有完整的系統(tǒng)外圍設備，省去了系統(tǒng)額外配置器件的需要，降低了成本。此外，這款微處理器可以擴展豐富的外部資源，如外部存儲器、串口和網(wǎng)口等，這就為以后所設計系統(tǒng)的升級開發(fā)打下了基礎。

設計選用的是基于S3C2440的Micro2440一個雙層電路核心板。這款核心板其實是個最小系統(tǒng)，包括了最基本的電源電路（5V供電）、復位電路和JTAG口等。核心板板上引出了各種常見接口，多余的I/O口則通過插針引出，方便了網(wǎng)關系統(tǒng)的設計，網(wǎng)關硬件框圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)關硬件框圖

3 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)關系統(tǒng)的軟件設計

Linux操作系統(tǒng)其源碼公開，內(nèi)核精悍，運行穩(wěn)定，所需資源少，支持硬件數(shù)量龐大。而且各種硬件驅(qū)動程序源代碼都可以得到，為用戶帶來很大方便。選擇移植Linux操作系統(tǒng)也為網(wǎng)關實現(xiàn)廣泛接入帶來很大方便。對于操作系統(tǒng)的移植主要包括了Bootloader移植[5]、Linux系統(tǒng)移植、根文件系統(tǒng)制作和各個模塊驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)[6]。

網(wǎng)關中的組建網(wǎng)絡及應用程序設計主要有3個步驟:首先是網(wǎng)絡初始化，由網(wǎng)關中的協(xié)調(diào)器節(jié)點建網(wǎng)，然后是子節(jié)點加入網(wǎng)絡，最后是讀取子節(jié)點上的數(shù)據(jù)，轉換并發(fā)送[7]。圖2和圖3是網(wǎng)關的具體程序設計流程。

圖2 網(wǎng)絡初始化

圖3 網(wǎng)關APP工作流程

4 廣泛接入機制的實現(xiàn)方法

在上述中監(jiān)測系統(tǒng)是以ZigBee這一固定設備構建的無線傳感器網(wǎng)絡作為接入對象的，通過測試證明在環(huán)湖景點這樣普通環(huán)境下是可行的。但是在更為復雜環(huán)境下，需要多種通信設備的接入，這就提出了網(wǎng)關廣泛接入的要求。在本文中構建了一種新型的網(wǎng)關功能層次模型。該模型分別由協(xié)議適配層、統(tǒng)一信息格式轉換層和標準信息構成層組成，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關功能層次模型圖

各個層的功能明確，協(xié)議適配層負責解析出數(shù)據(jù)，格式轉換和標準信息層主要負責對數(shù)據(jù)重新打包處理。這其中協(xié)議適配層是實現(xiàn)廣泛接入機制的關鍵，在這一層中主要實現(xiàn)的是將各個不同設備構建的異構網(wǎng)絡上傳的信息進行解析，獲得有效數(shù)據(jù)，由于不同感知網(wǎng)絡存在著明顯不同，所以要使用同一種模式進行適配是不可行的。本文中提出一種模塊可加載的方法，通過靈活添加不同的硬件設備以及相應的驅(qū)動程序軟件，來實現(xiàn)不同網(wǎng)絡在該適配層進行統(tǒng)一配置[8]。

該模型硬件構成和操作系統(tǒng)都是以文中前面所述框架為基礎的，要實現(xiàn)廣泛接入機制主要是在APP應用程序上結合Linux共享庫文件（.so文件）來實現(xiàn)動態(tài)加載的。首先需要編譯一個共享函數(shù)庫文件（.so文件）。應用程序里只需一個“指向”位置，程序本身不再包含函數(shù)代碼，然后將應用程序編譯成可執(zhí)行文件[9]，并裝載到網(wǎng)關系統(tǒng)的內(nèi)存中執(zhí)行，當可執(zhí)行文件需要用到共享函數(shù)庫機制時，函數(shù)引用才會被解析并產(chǎn)生對共享庫的調(diào)用[10]，共享庫才會被加載到內(nèi)存中執(zhí)行。APP的可執(zhí)行文件中具有指向共享函數(shù)庫的指針，是擁有指向功能，因此在接入不同的近程通信設備時只需升級共享函數(shù)庫，APP的可執(zhí)行文件無需重新編譯變動，就可以實現(xiàn)對升級后的共享庫文件的調(diào)用，從而實現(xiàn)了網(wǎng)關系統(tǒng)的廣泛接入機制。圖5就是一個動態(tài)鏈接加載實現(xiàn)框圖。

圖5 動態(tài)鏈接加載框圖

5 網(wǎng)關接收數(shù)據(jù)實驗結果

網(wǎng)關能夠很好地接收以ZigBee構建的無線傳感器網(wǎng)絡上傳的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行重新打包處理后上傳至服務器，最后通過設計的數(shù)據(jù)支撐軟件服務界面顯示出來，如圖6所示。

圖6 測試圖

圖7所示的是環(huán)湖景點環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實驗結果平面圖。

圖7 環(huán)湖景點平面圖

由上述2幅實驗圖可見基于ZigBee構建的環(huán)湖景點的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是成功的，所以網(wǎng)關的設計也是合理的，網(wǎng)關能夠很好地接入ZigBee設備，并接受處理ZigBee傳輸?shù)臏貪穸葦?shù)據(jù)。因此在這設計合理的網(wǎng)關系統(tǒng)上進行一次延伸，給出的廣泛接入機制的實現(xiàn)方法是可行的。

6 結束語

在以ZigBee作為無線數(shù)據(jù)傳輸設備接入網(wǎng)關的物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的實驗基礎上，提出一種物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境監(jiān)測中的網(wǎng)關廣泛接入機制的研究實現(xiàn)方法。該方法可以靈活方便地使得環(huán)境監(jiān)測中的網(wǎng)關接入不同的通信設備，從而拓展了物聯(lián)網(wǎng)技術在環(huán)境監(jiān)測中的應用，同時也是針對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關進行標準化工作以及實現(xiàn)各種通信技術標準的互聯(lián)互通奠定了基礎。

[1]章偉聰，梁越，俞新武.基于CC2430的溫室智能無線傳感器節(jié)點設計[J].農(nóng)機化研究，2011，6（6）:159－162.

[2]張演飛.基于CC2430的ZigBee組網(wǎng)技術[J].物聯(lián)網(wǎng)技術，2011，3（6）:65－67.

[3]魏亞楠，吳伯農(nóng).基于S3C2440家庭網(wǎng)關設計[J].計算機系統(tǒng)應用，2012，21（6）:244－248.

[4]張金金，高軍偉，張明超.基于S3C2440的無線傳感器網(wǎng)絡匯聚節(jié)點設計[J].工業(yè)控制計算機，2012，25（9）:1－2.

[5]文全剛.嵌入式Linux操作系統(tǒng)原理與應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2011.

[6]王永鋒，楊育，顧永明.基于S3C2440和Linux的溫濕度測控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代科學儀器，2011，12（6）:37－40.

[7]潘云寬.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].南京:南京理工大學，2010.

[8]孟勇濤.基于嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關研究與實現(xiàn)[D].北京:北京郵電大學，2012.

[9]Neil Matthew，Richard Stones.Linux程序設計[M].陳健，宋健健 譯.北京:人民郵電出版社，2010.

[10]鳥哥.鳥哥的Linux私房菜[M].北京:人民郵電出版社，2010.