陳少峰，鄧周虎，謝 冰，房鼎益，陳曉江

（西北大學信息科學與技術學院，陜西西安 710127）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡、主要應用于軍事、工農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、環(huán)境保護等領域進行監(jiān)測、跟蹤以及偵查等［1，2］，通常是在環(huán)境較為惡劣、地處偏遠、電力供應不完善、無公網(wǎng)覆蓋的野外環(huán)境中使用，因此，現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡（WSNs）網(wǎng)關很難實現(xiàn)惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關作為連接感知網(wǎng)絡與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡/互聯(lián)網(wǎng)的橋梁，既要實現(xiàn)感知網(wǎng)絡與現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡/互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，又要完成對傳感器網(wǎng)絡和感知節(jié)點的管理與控制，在整個無線傳感器網(wǎng)絡中起到樞紐作用。常用無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關與公網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸方式分為有線和無線兩大類。一般是通過網(wǎng)關內(nèi)置的以太網(wǎng)接口/公共電話網(wǎng)接口/現(xiàn)場總線/WLAN/GPRS/GSM/3G（TD-SCDMA）/藍牙等模塊實現(xiàn)公網(wǎng)的接入［3～5］，基本可以滿足復雜環(huán)境下的數(shù)據(jù)轉發(fā)需求，但存在數(shù)據(jù)處理能力有限、蓄電池供電不足導致的生存周期短等問題，而且在無公共網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉發(fā)。

本研究小組在使用無線傳感器網(wǎng)絡技術進行秦嶺野生動物資源智能感知研究項目中，需要在秦嶺北麓金絲猴保護區(qū)部署無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測野外環(huán)境下野生動物生存狀態(tài)，但由于無公眾網(wǎng)絡的支持，無法實時獲取無線傳感網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)，只能由人工定期到采集現(xiàn)場提取網(wǎng)關存儲數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)獲取的實時性和完整性大打折扣。因此，設計一種適用于無公網(wǎng)覆蓋地區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 數(shù)據(jù)遠程中轉傳輸方法

為了使無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)實現(xiàn)遠距離傳輸，需要結合不同頻段無線通信技術的特點，采用跨頻段轉接技術，結合2.4GHz頻段的高速率優(yōu)勢與UHF/VHF頻段遠距離傳輸?shù)牧己眯阅?，構建集成?.4 GHz頻段收發(fā)模塊和UHF/VHF頻段收發(fā)模塊的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［6，7］。

該系統(tǒng)由部署在無公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的數(shù)據(jù)差轉單元和部署在有公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的轉接單元2個部分組成。分布在無公網(wǎng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的Zig Bee節(jié)點采集數(shù)據(jù)通過無線多跳的方式發(fā)送給數(shù)據(jù)差轉單元，該單元接收到數(shù)據(jù)并處理后，再通過UHF/VHF頻段遠程中轉傳輸給部署在有公網(wǎng)覆蓋區(qū)域的轉接單元;轉接單元接收到數(shù)據(jù)后，由公網(wǎng)接入單元根據(jù)其所處網(wǎng)絡環(huán)境，選擇有線方式（如，以太網(wǎng)、公共電話網(wǎng)和現(xiàn)場總線等）或無線方式（如，WLAN/GPRS/GSM/3G（TD-SCDMA）/藍牙等）接入公網(wǎng)，實現(xiàn)Zig Bee節(jié)點與遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。由于UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊最大通信距離可根據(jù)其發(fā)射功率在5～50 km范圍內(nèi)調(diào)整，使用中可根據(jù)實際應用情況通過多級中繼延伸覆蓋范圍，所以，該傳輸方法與公網(wǎng)相結合幾乎可以達到無縫覆蓋。適用于無網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)的數(shù)據(jù)遠程中轉傳輸方法如圖1。

圖1 適用于無網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)的數(shù)據(jù)遠程中轉傳輸方法Fig 1 Remote relay transmission method of data suitable for areas without network coverage

2 系統(tǒng)硬件平臺設計

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)差轉單元和轉接單元兩部分，其系統(tǒng)結構框圖如圖2。其中，數(shù)據(jù)差轉單元由數(shù)據(jù)匯聚模塊、ARM微處理器、UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊、電源管理模塊組成。轉接單元由UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊、ARM微處理器、GPRS模塊/WAN模塊、電源管理模塊組成。

圖2 系統(tǒng)結構框圖Fig 2 Structure block diagram of system

2.1 系統(tǒng)核心電路設計

ARM微處理器作為系統(tǒng)的核心［8］，分別在數(shù)據(jù)差轉單元和轉接單元中負責系統(tǒng)各線程任務的管理和協(xié)調(diào)、處理傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)、將采集的有效信息中轉傳輸?shù)竭h程監(jiān)測中心、執(zhí)行監(jiān)測中心的控制指令和控制系統(tǒng)的休眠調(diào)度等。設計采用S3C2440A為控制器電路的微處理器芯片，嵌入式操作系統(tǒng)Linux管理各個任務的協(xié)調(diào)和調(diào)度。該芯片采用了ARM920t內(nèi)核，集成了外部存儲控制器（SDRAM控制和片選邏輯）、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART、2通道SPI、2端口USB、4通道PWM定時器、1通道內(nèi)部定時器、看門狗定時器、130個通用I/O口和24通道外部中斷源等，具有功能強大、功耗低等優(yōu)點，其全靜態(tài)設計適合于對成本和功耗敏感型的應用開發(fā)。微處理器的外部存儲單元包括SDRAM、用于固化程序的FLASH和暫存采集數(shù)據(jù)的32 Gbit SD卡。外圍接口電路包括一個異步串行接口（UART1）、由MAX232擴展的2個RS—232串口、1個HOST USB1.1接口、1個40針的LCD液晶屏接口、GPIO擴展接口和支持ADS1.2和keil等軟件單步調(diào)試用的JTAG接口。系統(tǒng)核心電路如圖3。

圖3 系統(tǒng)核心電路框圖Fig 3 Core circuit block diagram of system

2.2 數(shù)據(jù)匯聚模塊電路設計

數(shù)據(jù)匯聚模塊用于接收并匯聚Zig Bee節(jié)點采集的數(shù)據(jù)［9］，射頻芯片采用CC2420。該芯片是一個基于無線傳感器網(wǎng)絡Zig Bee/802.15.4標準的片上系統(tǒng)，工作在2.4 GHz頻段，接收靈敏度-98 dBm，抗鄰道干擾能力為39 dB，數(shù)據(jù)傳輸速率250為kbps。它有多種工作模式，適合于能耗極低的系統(tǒng)，通過SPI接口與數(shù)據(jù)差轉單元的ARM微處理器連接實現(xiàn)與Zig Bee節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)。以CC2420為核心的數(shù)據(jù)匯聚模塊電路原理圖如圖4所示。

圖4 CC2420數(shù)據(jù)匯聚模塊電路原理圖Fig 4 Principle diagram of data aggregation module circuit of chip CC2420

2.3 UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊電路設計

UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊由ISM頻段無線芯片Si4432和外圍電路組成，該芯片是一種高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片，可工作在UHF/VHF頻段。芯片內(nèi)部集成分集式天線、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、可配置的GPIO等，天線接收靈敏度-124 dBm。通過SPI接口、GPIO接口與ARM微處理器連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)差轉單元與轉接單元之間的遠距離傳輸。以Si4432為核心的UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊電路原理圖如圖5所示。

圖5 UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊電路原理圖Fig 5 Principle diagram of UHF/VHF band wireless data transmission module circuit

3 系統(tǒng)軟件平臺設計

系統(tǒng)軟件設計為多線程任務方式，采用同一進程多個線程的方式來實現(xiàn)多任務并發(fā)執(zhí)行，以提高用戶界面的響應能力和數(shù)據(jù)交換的效率。軟件包括用戶控制命令接收線程、無線傳感網(wǎng)接收線程和休眠調(diào)度線程。用戶控制命令接收線程負責與用戶交互操作，接收處理用戶的控制命令;休眠調(diào)度線程用于控制系統(tǒng)自身的休眠喚醒;無線傳感網(wǎng)接收線程用于控制數(shù)據(jù)匯聚模塊實時監(jiān)聽采集數(shù)據(jù)。主程序流程如圖6所示。

圖6 主程序流程圖Fig 6 Flow chart of main program

針對野外環(huán)境下系統(tǒng)電源供給不足的問題，設計中采用太陽能與風能互補作為其主要能源，該方法在一定程度上解決了能源補給的問題，為進一步提高其野外生存周期，設計中引入節(jié)點的休眠調(diào)度思想，從根本上降低系統(tǒng)的平均功耗。為減小傳輸延遲，系統(tǒng)采用的休眠調(diào)度算法與無線Zig Bee節(jié)點算法必須保持一致，設計中把整個系統(tǒng)看作一個Sink節(jié)點，和無線Zig Bee節(jié)點一起采用相同的休眠調(diào)度算法。由于UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊靜態(tài)功耗和發(fā)射功率較大，對該部分的休眠調(diào)度管理是本設計的重點，UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊具有3種節(jié)電模式:硬件喚醒模式、串口喚醒模式和空中喚醒模式。硬件喚醒模式是其中最省電的一種，休眠電流小于10μA，設計中將UHF/VHF頻段無線數(shù)傳模塊的硬件喚醒控制引腳SLE與ARM微處理的GPIO接口相連，使GPIO接口輸出高低電平來控制其休眠喚醒。ARM微處理器也具有睡眠喚醒功能，在SLEEP模式下，給CUP和內(nèi)部邏輯單元供電的電源被關閉，只有喚醒模塊與相應GPIO接口是工作的。這種狀態(tài)下，可以通過外部中斷或RTC（real-time clock）中斷將系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)中喚醒。由于ARM微處理器具有實時時鐘芯片RTC，數(shù)據(jù)差轉單元與轉接單元之間可通過時鐘芯片RTC實現(xiàn)精確的時間同步，因此，該系統(tǒng)的休眠調(diào)度策略具有較好的簡易性、穩(wěn)定性及精確性。圖7是系統(tǒng)的休眠調(diào)度時序圖。

圖7 休眠調(diào)度時序圖Fig 7 Timing diagram of sleep scheduling

4 系統(tǒng)性能測試

將傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)差轉裝置布置在西北大學信息科學與技術學院大樓前的空地里，在其周圍的樹上隨機部署了30個傳感器節(jié)點Micaz motes，用于采集溫濕度、光照等環(huán)境數(shù)據(jù)，采集周期為10 s，無線數(shù)傳—公網(wǎng)轉接裝置布置在大樓的樓頂，它們和監(jiān)測中心的服務器一起組成一套完整的傳感網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)。

4.1 丟包率測試

中轉傳輸系統(tǒng)丟包的主要原因有以下幾種可能:

1）從無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點匯聚數(shù)據(jù)時丟包;

2）UHF/VHF頻段遠距離傳輸時丟包;

3）將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)測中心時丟包。

對于第1種可能性，同時部署了一個Sink節(jié)點，使用其匯聚的數(shù)據(jù)包作為參考，即可以測試出系統(tǒng)從無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點匯聚數(shù)據(jù)時丟包情況;對于第2種可能性，由于傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包中有節(jié)點ID和數(shù)據(jù)包的序列號字段，因此，可以通過ARM微處理器單元統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)包的序列號來查看是否有丟包情況;對于第3種可能性，可以直接通過遠程監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計接收到的數(shù)據(jù)包的序列號來查看是否有丟包情況。每隔5 min進行一次丟包統(tǒng)計，總丟包率的實驗結果如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)丟包率Fig 8 Packet loss of data

系統(tǒng)的平均丟包率為0.17%，且隨著時間的增加，丟包率無較大的起伏變化，說明該系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性。

4.2 時延測試

中轉傳輸系統(tǒng)的時延是指從數(shù)據(jù)匯聚單元接收到數(shù)據(jù)包開始到將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程監(jiān)測中心之間的時間間隔。在此項測試中，當數(shù)據(jù)匯聚單元接收到數(shù)據(jù)包時，將數(shù)據(jù)包的接收時間記錄在傳感網(wǎng)差轉模塊的ARM微處理器單元文件中，當無線數(shù)傳—公網(wǎng)轉接模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送給遠程監(jiān)測中心時，再把數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間記錄在無線數(shù)傳—公網(wǎng)轉接模塊的ARM微處理器單元的文件中，即可計算出每個數(shù)據(jù)包的中轉傳輸時延。系統(tǒng)每接收并發(fā)送500個數(shù)據(jù)包計算一次數(shù)據(jù)包平均轉發(fā)時延。最終統(tǒng)計結果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)延遲統(tǒng)計圖Fig 9 Statistics charts of data of delay

計算求平均后得到系統(tǒng)的平均時延為81 ms，且隨著傳輸數(shù)據(jù)包個數(shù)的增加，時延無較大的起伏變化，說明該系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)定性與魯棒性。

5 結論

本文提出了適用于無網(wǎng)絡覆蓋地區(qū)的無線傳感器網(wǎng)絡遠程數(shù)據(jù)中轉傳輸系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方案，該系統(tǒng)集成了UHF/VHF頻段無線遠程傳輸功能，能在環(huán)境較為惡劣、偏遠、基礎通信設備不完善、無公共通信網(wǎng)絡覆蓋的野外環(huán)境下，對無線傳感器網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集、顯示、存儲以及控制等，實現(xiàn)傳感網(wǎng)的遠程監(jiān)測功能，且該系統(tǒng)不僅利用太陽能及風能為系統(tǒng)補給能源，還運用休眠調(diào)度策略，降低系統(tǒng)的功耗，提高了系統(tǒng)的野外生存周期，滿足無線傳感器網(wǎng)絡在野外長期監(jiān)測的應用需求。實驗表明:該系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強，同時具有很好的通用性。

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