劉　康　楊立身　王　磊　張安偉

(河南理工大學計算機科學與技術(shù)學院　河南 焦作 454003)

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基于SNMP的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的研究

劉康楊立身王磊張安偉

(河南理工大學計算機科學與技術(shù)學院河南 焦作 454003)

為了解決無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)通信以及實現(xiàn)無線節(jié)點的有效管理問題，考慮SNMP協(xié)議的簡單、通用、安全等特性，設(shè)計一種基于SNMP的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信，并基于SNMP協(xié)議實現(xiàn)對無線節(jié)點的管理。硬件部分，該網(wǎng)關(guān)以STM32F103VCT6為核心微處理器，使用SPI接口配合ENJ28C60以太網(wǎng)控制器實現(xiàn)以太網(wǎng)通信接口，使用USART串口配合無線傳感芯片cc2530實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)通信接口；軟件部分設(shè)計基于LwIP協(xié)議棧的私有SNMP代理。測試結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)運行穩(wěn)定可靠，具有一定的實用價值。

SNMPSTM32cc2530串口通信無線傳感網(wǎng)

0　引　言

無線傳感網(wǎng)是由大量傳感器節(jié)點組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)已廣泛應用到智能家居、工業(yè)監(jiān)控、車聯(lián)網(wǎng)及環(huán)境監(jiān)控等眾多領(lǐng)域[1]。無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通，使管理端可以遠程監(jiān)控無線傳感網(wǎng)中的節(jié)點，并及時獲取節(jié)點信息與應用層數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對無線傳感網(wǎng)的遠程監(jiān)控和管理。

目前，部分學者設(shè)計了一些無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，主要分為兩類，一類是網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)關(guān)，即對無線傳感網(wǎng)與其他網(wǎng)絡(luò)，如GPRS[2]、3G[3]、4G[4]及WIFI[5]等，進行網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)與其之間的數(shù)據(jù)通信，此類網(wǎng)關(guān)缺點是未實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)的遠程監(jiān)控及管理功能；另一類是應用層網(wǎng)關(guān)， 如文獻[6]提出了基于嵌入式Web技術(shù)實現(xiàn)的物聯(lián)網(wǎng)終端節(jié)點管理的方案，文獻[7]設(shè)計了基于Modbus協(xié)議的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與ModbusTCP/IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，并支持管理端對無線傳感網(wǎng)的遠程監(jiān)控及管理功能，但此類網(wǎng)關(guān)的缺點是管理技術(shù)與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)SNMP管理技術(shù)不兼容且安全性差。

本文考慮了SNMP協(xié)議的廣泛應用、簡單、安全等特征，設(shè)計了一種基于SNMP協(xié)議的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。不僅實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，而且使管理端可以通過SNMP協(xié)議查詢無線傳感網(wǎng)的節(jié)點信息及傳感器數(shù)據(jù)，設(shè)置無線傳感網(wǎng)節(jié)點變量及獲取無線傳感網(wǎng)異常報警信息，實現(xiàn)了SNMP管理端對無線傳感網(wǎng)的遠程監(jiān)控和管理。

1　總體設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于SNMP的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信功能。如圖1所示，該網(wǎng)關(guān)共分為三層，包括硬件層、軟件支持層及應用層。硬件層包括以太網(wǎng)接口、微處理器及ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口。以太網(wǎng)接口負責實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的通信功能；微處理器負責將互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)包與ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口為協(xié)調(diào)器類型節(jié)點，負責組織建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。軟件支持層包括LwIP協(xié)議棧和Z-Stack協(xié)議棧，為實現(xiàn)上層數(shù)據(jù)通信提供支持。應用層包括私有SNMP代理和Z-Stack應用層任務(wù)。私有SNMP代理負責響應管理端發(fā)送的請求報文，將接收到的請求報文進行轉(zhuǎn)換，然后傳遞給Z-stack應用層任務(wù)；Z-Sstack應用層任務(wù)實現(xiàn)該請求后將消息返回給私有SNMP代理，私有SNMP代理將其轉(zhuǎn)換為SNMP協(xié)議消息后發(fā)送給管理端。

圖1　無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)圖

2　硬件設(shè)計

硬件部分采用模塊化設(shè)計，如圖2所示，由以太網(wǎng)接口模塊、微控制器模塊及ZigBee協(xié)調(diào)器模塊組成。以太網(wǎng)接口模塊選取使用ENC28J60控制器，該控制器提供10/100M的傳輸速率，采用SPI接口與微控制器通信；微控制器選擇基于CORTEX-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6微控制器，該控制器具有高性能、低功耗及經(jīng)濟實惠的特點[8]；ZigBee網(wǎng)絡(luò)接口模塊選取TI公司的cc2530芯片，該芯片集成高性能8051內(nèi)核、USART接口及ZigBee射頻前端等[9]，支持Z-Stack協(xié)議棧中各種節(jié)點類型，采用USART接口與微控制器通信。

圖2　硬件結(jié)構(gòu)圖

3　軟件設(shè)計

3.1總體設(shè)計

軟件部分采用組件化設(shè)計方法設(shè)計，如圖3所示，主要包括LwIP協(xié)議棧、私有SNMP代理及Z-Stack協(xié)議棧。LwIP協(xié)議棧是由瑞典科學院實現(xiàn)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，開放源代碼且功能穩(wěn)定[10]；私有SNMP代理負責響應管理端數(shù)據(jù)及控制請求，將收到的數(shù)據(jù)請求報文或控制報文轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式后，通過串口交由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點；Z-Stack協(xié)議棧是TI公司推出的遵從ZigBee2007規(guī)范的無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，本文基于Z-Stack協(xié)議棧[11]實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點，負責組織搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)。接收到私有SNMP代理的數(shù)據(jù)請求或控制報文后，從終端節(jié)點收集到數(shù)據(jù)后發(fā)送給私有SNMP代理，或執(zhí)行控制報文內(nèi)的操作，并向私有SNMP代理發(fā)送確認消息。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)異常后向私有SNMP發(fā)送報警消息，私有SNMP代理收到消息后，根據(jù)異常類型做相應轉(zhuǎn)換后向SNMP管理端發(fā)送SNMPTrap報文。

3.2LwIP協(xié)議棧

為實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的互聯(lián)網(wǎng)接口，移植LwIP協(xié)議棧到STM32F103VCT6微控制器上，移植步驟如圖4所示。STM32F103VCT6微處理器端USART串口使用中斷方式接收數(shù)據(jù)，串口初始化過程如圖5所示。

圖4　LwIP協(xié)議棧移植流程圖　圖5　串口初始化流程圖

LwIP協(xié)議棧移植步驟詳細介紹如下：

Step1初始LwIP協(xié)議棧所用的基本數(shù)據(jù)類型

Step2初始化以太網(wǎng)SPI接口

調(diào)用微處理器的庫文件，初始化SPI接口。

Step3初始化systick定時器

初始化微處理器的systick定時器，用于定時輪詢輸入或給LwIP協(xié)議棧提供定時。

Step4初始化協(xié)議棧

調(diào)用lwip_init()函數(shù)，初始化LwIP協(xié)議棧，為LwIP協(xié)議棧所使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分配內(nèi)存，如網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)體鏈表、內(nèi)存池、pbuf數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

設(shè)置netif結(jié)構(gòu)體中各屬性，如ip、netmask、gw等網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置；再調(diào)用netif_add()函數(shù)完成LwIP協(xié)議棧對網(wǎng)卡結(jié)構(gòu)體enc28j60屬性的調(diào)用，如數(shù)據(jù)包發(fā)送函數(shù)和數(shù)據(jù)包接收函數(shù)。

使用底層網(wǎng)卡初始化low_level_init()函數(shù)完成MAC地址、最大傳輸單元等網(wǎng)卡基本屬性的設(shè)置。

再使用netif_set_default()函數(shù)將enc28j60設(shè)置為默認網(wǎng)卡，然后使用netif_setup()函數(shù)使能enc28j60網(wǎng)卡接口。

Step5輪詢

使用無限循環(huán)調(diào)用數(shù)據(jù)包接收函數(shù)完成對網(wǎng)絡(luò)接口的監(jiān)聽，即采用輪詢方式接收數(shù)據(jù)包。

3.3Z-Stack協(xié)議棧

Z-Stack協(xié)議棧中自帶有實現(xiàn)串口通信的MT層，調(diào)用該層中相關(guān)API實現(xiàn)串口初始化，以實現(xiàn)Z-Stack協(xié)議棧與LwIP協(xié)議棧通信。Z-Stack協(xié)議棧輪詢到串口中斷后，調(diào)用相應的串口回調(diào)函數(shù)處理接收到的串口數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的串口數(shù)據(jù)包類型進行處理。若是查詢信息類串口數(shù)據(jù)包，則根據(jù)數(shù)據(jù)包中變量信息進行查詢，查詢到該變量信息后封裝成串口數(shù)據(jù)包發(fā)送給LwIP協(xié)議棧。若查詢失敗，發(fā)送查詢錯誤串口消息。若是設(shè)置變量類串口數(shù)據(jù)包，串口回調(diào)函數(shù)根據(jù)串口數(shù)據(jù)包的變量信息向目標變量節(jié)點發(fā)送設(shè)置消息，設(shè)置成功后發(fā)送設(shè)置成功串口消息，否則發(fā)送設(shè)置失敗消息。詳細流程如圖6所示。

圖6　Z-Stack串口數(shù)據(jù)處理流程圖

3.4私有SNMP代理

LwIP協(xié)議棧中已實現(xiàn)SNMP協(xié)議，但為實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)管理的需求，如查詢、設(shè)置、異常監(jiān)控，需在LwIP協(xié)議棧實現(xiàn)私有SNMP代理，以響應管理端對無線傳感網(wǎng)的上述管理需求。實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)私有SNMP代理共分為3個部分，即：

(1) 擴展私有MIB庫，在私有MIB庫中定義無線傳感網(wǎng)中需要管理的變量，并實現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；

(2) 實現(xiàn)對私有SNMP代理MIB庫變量的查詢、設(shè)置操作；

(3) 實現(xiàn)Trap變量異常報警程序。

3.4.1私有MIB庫

限于嵌入式系統(tǒng)有限的存儲資源，私有MIB庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要重新使用C語言編碼實現(xiàn)，本網(wǎng)關(guān)采用樹形結(jié)構(gòu)定義私有MIB庫，如圖7所示。使用mib_array_node表示樹節(jié)點，主要存儲其子節(jié)點地址及其子節(jié)點數(shù)目；mib_scalar_node表示普通標量葉子節(jié)點，主要存儲變量OID、讀寫權(quán)限及對該變量的get、set操作函數(shù)指針；mib_external_node表示外部節(jié)點，主要存儲著表格葉子變量鏈表頭節(jié)點指針、表格葉子變量讀寫權(quán)限及對該變量的get、set操作函數(shù)指針；mib_list_root_node用以表示表格葉子變量鏈表head節(jié)點，head節(jié)點包含表格葉子節(jié)點鏈表頭指針、尾指針及鏈表長度等信息；mib_list_node表示表格葉子變量節(jié)點，其中包括變量OID及該節(jié)點前后指針等信息。

圖7　私有MIB庫數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖

3.4.2變量查詢

如圖8所示，當SNMP管理端需要查詢無線傳感網(wǎng)某變量信息時，發(fā)送封裝有SNMPGet消息的IP數(shù)據(jù)包給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過LwIP協(xié)議棧接收IP數(shù)據(jù)包，將SNMPGet消息交由上層私有SNMP代理進行處理，私有SNMP代理在私有MIB庫中查找該變量。然后調(diào)用該變量的get函數(shù)向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送串口數(shù)據(jù)請求報文，ZigBee協(xié)調(diào)器依據(jù)報文中的節(jié)點ID和變量名對該報文中的操作進行處理，獲取數(shù)據(jù)后封裝成串口回應報文發(fā)送給私有SNMP代理，若獲取失敗，發(fā)送查詢錯誤串口回應報文。私有SNMP代理收到串口響應報文后將其轉(zhuǎn)換成SNMP協(xié)議回應消息通過LwIP協(xié)議棧返回給SNMP代理管理端。

圖8　數(shù)據(jù)查詢協(xié)作圖

3.4.3變量設(shè)置

如圖9所示，當SNMP管理端需要設(shè)置無線傳感網(wǎng)中某變量信息時，發(fā)送封裝有SNMPSet消息的IP數(shù)據(jù)包給網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過LwIP協(xié)議棧接收IP數(shù)據(jù)包，將SNMPSet消息交由上層私有SNMP代理進行處理，私有SNMP代理在私有MIB庫中查找該變量。然后調(diào)用該變量的set函數(shù)向ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點發(fā)送串口設(shè)置請求報文，ZigBee協(xié)調(diào)器依據(jù)報文中的節(jié)點ID、變量名及變量值對該變量執(zhí)行設(shè)置操作，設(shè)置變量成功后封裝成串口回應報文發(fā)送給私有SNMP代理，若失敗，發(fā)送設(shè)置錯誤串口回應報文。私有SNMP代理收到串口響應報文后將其轉(zhuǎn)換成SNMP協(xié)議回應消息通過LwIP協(xié)議棧返回給SNMP代理管理端。

圖9　設(shè)置協(xié)作圖

3.4.4異常報警

如圖10所示，當ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中異常時，發(fā)送串口異常報警報文給私有SNMP代理。私有SNMP代理根據(jù)串口異常報警報文中的異常信息查找MIB庫中Trap變量。然后將變量名、異常信息封裝到SNMPTrap消息中并向管理端發(fā)送該SNMPTrap報警消息。

圖10　異常報警寫作圖

4　測　試

本網(wǎng)關(guān)在實驗室中搭建網(wǎng)絡(luò)進行測試，測試環(huán)境如圖11所示。首先在實驗室搭建測試環(huán)境，開發(fā)板使用雙絞線與PC相連，開發(fā)板自帶有使用cc2530的ZigBee模塊。通過不定向天線與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中溫濕度、燈開關(guān)節(jié)點進行通信，測試方案主要包括網(wǎng)絡(luò)連通性測試和核心部件SNMP協(xié)議測試兩個模塊 。

圖11　測試環(huán)境圖

在命令終端上輸入ping網(wǎng)關(guān)的IP地址的命令，網(wǎng)關(guān)及時返回icmpechoreply報文以確認收到ping報文。測試結(jié)果如圖12所示。

圖12　網(wǎng)絡(luò)連通性測試

在上位機上運行監(jiān)控軟件，該軟件基于VisualC++及SNMP++[12]開發(fā)，如圖13所示。配置SNMP代理的IP地址及認證名，然后點擊“刷新”按鈕，即可通過無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)獲得測試環(huán)境內(nèi)的溫度及濕度。通過點擊“開燈”、“關(guān)燈”按鈕即可實現(xiàn)對燈節(jié)點的開關(guān)控制。監(jiān)控軟件若收到SNMP代理發(fā)送的SNMPTrap報警消息，報警欄會顯示報警信息。

網(wǎng)關(guān)測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定地實現(xiàn)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，并穩(wěn)定地實現(xiàn)了SNMP管理端對無線傳感網(wǎng)的查詢、設(shè)置、異常報警等管理需求。

5　結(jié)　語

本文設(shè)計了一種基于SNMP的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)軟硬件采用組件化設(shè)計方法設(shè)計。一方面，該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通；另一方面，該網(wǎng)關(guān)使管理端可以通過SNMP協(xié)議直接監(jiān)控和管理無線傳感網(wǎng)，實現(xiàn)了基于SNMP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)及無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理體系，減少了不必要的中間件的開發(fā)。測試結(jié)果表明該網(wǎng)關(guān)運行穩(wěn)定可靠，具有實時性、低功耗、成本低、通用性強等特點，具有一定的實用價值。

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STUDYONWIRELESSSENSORNETWORKGATEWAYBASEDONSNMP

LiuKangYangLishenWangLeiZhangAnwei

(School of Computer Science and Technology,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,Henan,China)

InordertosolvetheproblemofheterogeneouscommunicationbetweenwirelesssensornetworksandtheInternetandtheproblemofeffectivemanagementofwirelessnodes,consideringthefeaturesofSNMPprotocolsuchassimple,universalandsecure,etc.,wedesignedanSNMP-basedwirelesssensornetworkgateway.ThegatewayrealisesthedatacommunicationbetweenwirelesssensornetworksandtheInternet,andachievesthemanagementofwirelessnodesbasedonSNMP.Inhardwarepart,thegatewayusesSTM32F103VCT6ascoremicroprocessor,usesSPIinterfaceinconjunctionwithENJ28C60EthernetcontrollertoimplementEthernetcommunicationinterface,andusesUSARTserialportinconcertwithwirelesssensorchipcc2530toimplementwirelesssensornetworkcommunicationinterface.Insoftwarepart,wedesignanLwIPstack-basedprivateSNMPagent.Testresultsshowedthatthegatewayranstablyandreliably,andhadcertainpracticalvalue.

SNMPSTM32cc2530SerialportcommunicationWirelesssensornetwork

2014-08-16。劉康，碩士生，主研領(lǐng)域：網(wǎng)絡(luò)管理。楊立身，教授。王磊，副教授。張安偉，碩士生。

TP3

ADOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.03.036