(蘇州大學(xué)，蘇州 215006)

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李濤，王宜懷，蔣婷，朱錦明

(蘇州大學(xué)，蘇州 215006)

提出了一種基于新型串口級聯(lián)HUB總線通信與星型WSN網(wǎng)絡(luò)對比的實踐方案。文章闡述該WSN組網(wǎng)可靠性測試系統(tǒng)的基本思路、有線通信硬件SCI-HUB集線器的硬件設(shè)計、無線通信WSN節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計及PC機(jī)方通信測試軟件設(shè)計。理論分析及實踐表明，該方案可有效測試WSN無線通信節(jié)點(diǎn)的丟包率，為分析WSN網(wǎng)絡(luò)性能提供了一種切實有效的技術(shù)方案。

WSN；新型串口級聯(lián)；星型網(wǎng)絡(luò)；可靠性研究

引 言

本文設(shè)計了一套合理的串口集線器的解決方案，解決了PC機(jī)串口資源不足，以及ZigBee通信無法驗證的問題。對于本系統(tǒng)的通信方式，需要解決一個關(guān)鍵問題：一臺PC機(jī)的串口數(shù)是有限的，如果讓PC機(jī)與幾十個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，一個串口對應(yīng)一個MCU根本不現(xiàn)實。同時，正常情況下，RS-232的傳輸距離為30 m，而物聯(lián)網(wǎng)一般都覆蓋幾百米甚至幾公里，故一般的RS-232串口傳輸無法達(dá)到系統(tǒng)需求。同時需要考慮系統(tǒng)實時性的要求，對建立較為完善的實時系統(tǒng)具有重要的意義。[1-5]

1 測試系統(tǒng)設(shè)計的基本思路

輔助測試系統(tǒng)是一套由有線測試底座、無線傳感器節(jié)點(diǎn)以及PC機(jī)組成的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以組成完整的無線傳感網(wǎng)，并且通過有線數(shù)據(jù)對無線傳感網(wǎng)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性驗證。系統(tǒng)硬件主要包括：測試底座、集線設(shè)備(SCI-HUB)、路由設(shè)備(0號節(jié)點(diǎn))以及服務(wù)器PC接收終端，如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出服務(wù)器(PC)接收所有節(jié)點(diǎn)從串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，接收成功后PC將數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫。同時，如果服務(wù)器可以提供外部因特網(wǎng)訪問，則可以通過網(wǎng)頁進(jìn)行上層應(yīng)用的擴(kuò)充顯示，供用戶操作。

被測節(jié)點(diǎn)和測試底座通過兩排單排針連接，節(jié)點(diǎn)中包含射頻模塊，通過該射頻模塊上傳數(shù)據(jù)到路由節(jié)點(diǎn)；同時該節(jié)點(diǎn)通過接口電路將數(shù)據(jù)復(fù)制一份發(fā)給測試底座，底座通過硬件電路將電平轉(zhuǎn)換后通過有線傳輸上傳到PC機(jī)。最后，PC服務(wù)器端根據(jù)路由節(jié)點(diǎn)上傳的無線數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)通過串口上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行校對，從而對被測的無線傳感網(wǎng)進(jìn)行可靠性的評估。

2 測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 有線通信硬件——SCI-HUB集線器設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計的HUB集線將所有節(jié)點(diǎn)的RS232信號都集連到一根總線上，使得所有節(jié)點(diǎn)可以與PC機(jī)進(jìn)行一對一的通信，結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 集線器主要結(jié)構(gòu)圖

為了穩(wěn)定信號，使信號能夠傳輸?shù)酶h(yuǎn)，本集線器將主機(jī)端第二路的R2IN作為發(fā)送端，第一路的T1OUT作為接收端，而從機(jī)端將第二路的R1IN作為發(fā)送端，第二路的T2OUT作為接收端。將MAX3232的T2IN和R2OUT、R1OUT和T1IN導(dǎo)通，使得輸入與輸出都為RS232電平，中間導(dǎo)通的為TTL電平，如圖2所示。

集線器采用5 V供電，這樣衰減后的RS232電平經(jīng)過MAX3232時，電平再一次被提升到標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平，故每經(jīng)過一個SCI-HUB集線器，即可以相應(yīng)增加30 m的傳輸距離。理論上只要接上這種集線器就可以無限地級聯(lián)下去，并且每個集線器可以保證30 m的有效傳輸距離。同時，該集線器可以將多個串口接在一個計算機(jī)接口上使用，不需要反復(fù)插拔每一個串口。為了降低成本，集線器使用USB方口作為串行連接口，其中兩路接電源和地，另外兩路分別接串口的發(fā)送信號線和接收信號線。對于每一個集線設(shè)備，都有1個PC機(jī)通信接口(主口)、10個節(jié)點(diǎn)通信接口(從口)。

本系統(tǒng)采用了3個集線設(shè)備，一共有33個口，減去1個PC機(jī)的口還有兩對級聯(lián)口，故最多可以承受28個節(jié)點(diǎn)掛載。這樣完全可以滿足物聯(lián)網(wǎng)項目中多節(jié)點(diǎn)的要求，如果還需要節(jié)點(diǎn)，可以繼續(xù)級聯(lián)串口集線器。從圖2可以看出，該HUB將設(shè)備的串行數(shù)據(jù)都發(fā)送到一個總線上，由主口主動收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)主口發(fā)送數(shù)據(jù)時，所有節(jié)點(diǎn)都能接收到該數(shù)據(jù)，但是只有當(dāng)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)中檢測到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號的信息，并且與自身節(jié)點(diǎn)號相匹配的時候，節(jié)點(diǎn)才對該數(shù)據(jù)進(jìn)行接收。同時，在節(jié)點(diǎn)向PC機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時，考慮到節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，其他節(jié)點(diǎn)也會接收到的情況，在每一個節(jié)點(diǎn)上添加了一個二極管，這樣只將節(jié)點(diǎn)的RS232電平的正向截取發(fā)送到接收總線上，這樣其他節(jié)點(diǎn)就接收不到數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的完整性。為了避免數(shù)據(jù)的沖撞，該系統(tǒng)采用了輪詢的方式進(jìn)行檢測，即每次對一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測命令。

2.2 無線通信硬件——ZigBee節(jié)點(diǎn)

該測試系統(tǒng)通過軟件方式把節(jié)點(diǎn)分為路由節(jié)點(diǎn)和一般節(jié)點(diǎn)，其中路由節(jié)點(diǎn)設(shè)定為0號節(jié)點(diǎn)，等同于一個收集無線數(shù)據(jù)的路由器。該節(jié)點(diǎn)將所有節(jié)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)收集起來并且發(fā)送出去，并且該節(jié)點(diǎn)具備串口收發(fā)功能，能有效地與PC機(jī)之間進(jìn)行串行通信。一般節(jié)點(diǎn)就是普通的傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)A/D數(shù)據(jù)采集以及無線數(shù)據(jù)收發(fā)，并通過接收不同的命令，執(zhí)行不同的動作。

PC機(jī)是系統(tǒng)的主控機(jī)器，為實現(xiàn)異步通信，在PC機(jī)里設(shè)置了通用異步接收器和發(fā)送器，PC機(jī)中的串口電平為TTL電平，而本系統(tǒng)的串行口的電平為RS-232電平。因此，PC機(jī)發(fā)送出去的數(shù)據(jù)要經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口將TTL電平轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為RS-232電平。同時，ZigBee節(jié)點(diǎn)作為從機(jī)，采用RS-232電平進(jìn)行接收。節(jié)點(diǎn)接收到RS-232電平后通過MAX3232轉(zhuǎn)化為芯片內(nèi)部可以識別的TTL電平。

本系統(tǒng)的被測節(jié)點(diǎn)為ZigBee節(jié)點(diǎn)，針對ZigBee的串口，通過對程序改進(jìn)，將ZigBee發(fā)送的無線數(shù)據(jù)同時發(fā)送一份給串口，之后在PHY層和MAC層進(jìn)行組幀并發(fā)送給串口HUB。最終由HUB將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)。PC機(jī)通過解析數(shù)據(jù)，獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀，并且通過PC機(jī)C#軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)接收處理。

每個被測傳感節(jié)點(diǎn)包括測試底座和可插拔的被測節(jié)點(diǎn)(包含無線通信模塊)兩部分。測試底座內(nèi)部包含傳感器模塊、串口發(fā)送模塊和調(diào)試模塊，如圖3所示。

圖3 集線器主要結(jié)構(gòu)圖

圖中被測節(jié)點(diǎn)為ZigBee核心板，主要集成了MC9S08GB60和MC13192芯片[8]。該芯片由測試底座對其進(jìn)行供電，同時該底座通過一個貼片的MAX3232將MC13211輸出的TTL電平轉(zhuǎn)化為RS-232電平。底座還包括了A/D傳感器模塊以及調(diào)試模塊。

3 測試系統(tǒng)設(shè)計的基本思路

3.1 系統(tǒng)實時性分析與測試軟件編程方式的選擇

在整個系統(tǒng)設(shè)計中首先需要考慮系統(tǒng)通信方式。節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器之間的通信方式有節(jié)點(diǎn)主動上傳、PC主動查詢與節(jié)點(diǎn)被動操作、節(jié)點(diǎn)主動操作并等待PC查詢?nèi)N方式[9],詳細(xì)介紹略——編者注。

測試系統(tǒng)分別采用這三種方式進(jìn)行試驗，比較試驗結(jié)果后發(fā)現(xiàn)，采用第三種方式實時性高，數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確。選擇好了通信方式后，就可以來進(jìn)行軟件設(shè)計軟件程序。系統(tǒng)軟件主要分為節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序和PC方接收程序。節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序采用飛思卡爾公司提供的CodeWarrior 6.2編譯環(huán)境進(jìn)行開發(fā)。PC方使用C#語言編寫了一個基于串口通信的可視化界面。

3.2 測試系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計

節(jié)點(diǎn)主要功能有接收串口數(shù)據(jù)、響應(yīng)命令、無線方式返回數(shù)據(jù)、有線方式返回數(shù)據(jù)。在設(shè)計過程中的關(guān)鍵在于串口數(shù)據(jù)接收及處理，這也是開發(fā)底端程序的難點(diǎn)之一。在節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序中，需要考慮到只要串口總線上有數(shù)據(jù)，所有節(jié)點(diǎn)都會收到數(shù)據(jù)，每個節(jié)點(diǎn)在接收到其他數(shù)據(jù)幀的時候，需要及時地對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，檢測該數(shù)據(jù)是否為自己的數(shù)據(jù)，是自己的數(shù)據(jù)則處理，如果不是自己的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行拋棄，該中斷服務(wù)例程流程圖如圖4所示。測試系統(tǒng)判斷字符間的時間間隔是否超過規(guī)定的長度，從而區(qū)分出兩幀數(shù)據(jù)。當(dāng)MCU發(fā)現(xiàn)兩個字符之間的間隔超過一定的時間的時候(一般設(shè)定在10～20 ms左右)，則判定兩個字符串屬于兩幀數(shù)據(jù)。在實際應(yīng)用中，PC方采用輪詢的方式，所以相鄰數(shù)據(jù)之間必定有一定間隔。

圖4 串口接收流程圖

在本系統(tǒng)中，引入了簡單的物理層協(xié)議。物理層通過操作底層硬件為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。采用在串口底端創(chuàng)建物理層的方式，可以提高串口的利用率和可復(fù)用性。本文采用了射頻片上系統(tǒng)(SoC)MC13211設(shè)計了一個較通用的的ZigBee射頻模塊，分析和實現(xiàn)了該測試系統(tǒng)的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能。初始化完成以后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝和發(fā)送。下面以一條數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送的完整過程來描述對數(shù)據(jù)的封裝以及發(fā)送。如圖5所示，圖中設(shè)定MCU均是以字節(jié)數(shù)組的形式來保存待發(fā)送或接收數(shù)據(jù)幀的。

圖5 數(shù)據(jù)協(xié)議的封裝

從圖中可以看出數(shù)據(jù)的具體流向。在原始數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，添加了鏈路層協(xié)議，該協(xié)議的主要目的是保護(hù)原始數(shù)據(jù)不丟失，該層協(xié)議添加了回避字符。物理層協(xié)議主要為了在串行總線上對具體節(jié)點(diǎn)進(jìn)行識別，并且添加雙幀頭對數(shù)據(jù)的開頭進(jìn)行同步。該協(xié)議幀頭包括數(shù)據(jù)幀頭、協(xié)議長度、串口號和幀尾。增加了這樣的協(xié)議之后，保證了數(shù)據(jù)的完整性，并且方便了PC方數(shù)據(jù)的接收。

3.3 測試系統(tǒng)的PC機(jī)方程序設(shè)計

PC方的程序主要流程如下：當(dāng)PC機(jī)開始啟動檢測時，PC機(jī)首先向串口發(fā)送每一個節(jié)點(diǎn)的測試存活信息，該幀主要用來判斷該節(jié)點(diǎn)是否工作正常，如果節(jié)點(diǎn)工作正常，則返回一條響應(yīng)指令，否則不返回任何數(shù)據(jù)。這樣做的目的是為了讓后面的測試工作只針對當(dāng)前存活的節(jié)點(diǎn)，而減少了對不存在的節(jié)點(diǎn)的檢測。在檢測到存活的節(jié)點(diǎn)后延遲一段時間進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測，數(shù)據(jù)的檢測采用輪詢的方式對每一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送測試命令，同時等待該節(jié)點(diǎn)作出反應(yīng)，返回數(shù)據(jù)幀。此時如果收到數(shù)據(jù)則置一個標(biāo)志位通知查詢節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程可以繼續(xù)查詢下一個節(jié)點(diǎn)，如果發(fā)送測試命令沒有返回，則代表該幀發(fā)送失敗，繼續(xù)發(fā)送該幀。為了提高系統(tǒng)的效率，我們認(rèn)定一個節(jié)點(diǎn)如果在20 ms內(nèi)沒有做出相應(yīng)，該條命令則廢除，繼續(xù)查詢下一個節(jié)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)從串口發(fā)過來后，PC方通過編寫好的C#程序以串口中斷的方式執(zhí)行中斷服務(wù)例程，該的主要功能是檢測出該幀數(shù)據(jù)中的節(jié)點(diǎn)的詳細(xì)信息，同時將數(shù)據(jù)存入SQL[10]。

同節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序類似，PC方應(yīng)用程序也面臨著串口數(shù)據(jù)接收效率低的問題，采用的解決方法類似于節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序，數(shù)據(jù)幀中包含該幀長度的信息，用于檢測該幀是否完整。所不同的是，由于PC機(jī)需要對所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，所以PC機(jī)對數(shù)據(jù)的解析越快越好。本系統(tǒng)在PC方采用FIFO隊列的形式，接收進(jìn)程一旦解析出該數(shù)據(jù)為完整的一幀則將該數(shù)據(jù)放入隊列中，由另外的進(jìn)程對其進(jìn)行解析，采用了生產(chǎn)者消費(fèi)者模型。在使用的時候需要采用互斥信號量對隊列進(jìn)行互斥訪問。

上述的節(jié)點(diǎn)程序和PC方接收程序進(jìn)行交互，PC機(jī)通過偵聽程序可以完整地將節(jié)點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)存儲到SQL數(shù)據(jù)庫中供上層應(yīng)用。

4 測試實例及結(jié)果分析

本系統(tǒng)針對水質(zhì)檢測系統(tǒng)所使用的節(jié)點(diǎn)，將水質(zhì)檢測的無線節(jié)點(diǎn)作為被測對象。其中水質(zhì)監(jiān)測[11]系統(tǒng)主要由應(yīng)用服務(wù)器、管理終端PC、嵌入式終端節(jié)點(diǎn)和管理者4部分組成，具體部署場景如圖6所示。其中本監(jiān)測系統(tǒng)主要取節(jié)點(diǎn)和管理終端PC，舍去了不必要的網(wǎng)絡(luò)層，在數(shù)據(jù)上傳互聯(lián)網(wǎng)之前進(jìn)行輔助測試。

圖6 現(xiàn)場實景圖

對該系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性測試需要一個C#制作的偵聽程序相配合。該程序采用中斷方式來處理串口發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。該程序通過逐一發(fā)送測試命令對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。同時該程序?qū)邮栈貋淼臒o線數(shù)據(jù)和有線數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對。通過此方式進(jìn)行數(shù)據(jù)校對。

具體部署如下：27個傳感節(jié)點(diǎn)和一個路由節(jié)點(diǎn)，分散擺放，其中每個傳感節(jié)點(diǎn)每隔一段時間對底端的A/D的值進(jìn)行采集，并等待上位機(jī)查詢。當(dāng)上位機(jī)通過串口發(fā)送測試命令時，節(jié)點(diǎn)做出回應(yīng)，返回一條無線數(shù)據(jù)和一條有線數(shù)據(jù)。

有線數(shù)據(jù)即通過上述物理層協(xié)議進(jìn)行封裝，通過串口發(fā)送給上位機(jī)，再通過上位機(jī)軟件進(jìn)行解析；無線數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)通過封裝物理層協(xié)議發(fā)送給PC機(jī)。并且該系統(tǒng)確保串口收發(fā)的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的，因為串口通過線傳輸，數(shù)據(jù)基本不會丟失。而PC方軟件將所有接收到的數(shù)據(jù)放入SQL數(shù)據(jù)庫中，以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析，同時，該軟件還針對幾個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采樣性分析。實驗測試數(shù)據(jù)略——編者注。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測試傳感網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，并且很好地反映無線傳感網(wǎng)的通信質(zhì)量。

結(jié) 語

本文提出新型串口級聯(lián)HUB總線通信與星型WSN網(wǎng)絡(luò)對比的實踐方案，能夠有效地檢測WSN無線通信的丟包率，能夠最大程度地節(jié)省硬件成本。本系統(tǒng)采用的通信方式，減少了數(shù)據(jù)序列識別的附加數(shù)據(jù)，一定程度上也避免了無效數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，提供系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本文所設(shè)計的無線傳輸檢測系統(tǒng)，在與中科大合作的水質(zhì)檢測系統(tǒng)中的輔助測試系統(tǒng)進(jìn)行了測試和驗證。在測試過程中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，測試結(jié)果符合實際情況，完全達(dá)到可靠性檢測系統(tǒng)的要求。

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Li Tao, Wang Yihuai, Jiang Ting, Zhu JinMing

(Soochow University, Suzhou 215006, China)

The reliability evaluating of WSN network is an important theoretical and practical issue. In that case, it shows and describes practices based on a new SCI-HUB. This paper describes the idea of reliability evaluating of WSN network, the hardware design of the SCI-HUB, the hardware and software design of WSN node and the software of PC. Theoretical analysis and practice shows that the system can effectively test the loss rate of the WSN packet, and provides an effective technical solution for the WSN network performance analysis.

WSN；new SCI-HUB；star network；reliability

國家自然科學(xué)基金資助項目(61070169)。

TP311

A

珍

2013-10-20)