摘 要：利用STM32W108平臺進行無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集、控制及傳輸，通過移動終端的軟件設計，可以實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的全時段移動監(jiān)測，滿足對工業(yè)現(xiàn)場的遠程實時監(jiān)測需求，大大提高了工業(yè)生產(chǎn)管理的效率，減少了巡檢工人的勞動強度。

關鍵詞：無線傳感網(wǎng)；移動終端；移動應用

引言

無線傳感網(wǎng)絡是由大量小體積、低成本，具有無線通信能力、也能采集和處理相關數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點組成。無線傳感網(wǎng)絡涵蓋了多門學科的理論與技術，因此在各個領域收到了廣泛的關注。無線傳感網(wǎng)絡的產(chǎn)生和高速發(fā)展得益于現(xiàn)代網(wǎng)絡技術、無線通信技術、傳感器技術和嵌入式系統(tǒng)技術的快速發(fā)展。由于無線傳感網(wǎng)絡具備快速獲取信息、精確度高、延時短等特點，因此在軍事、農業(yè)、工業(yè)、智能家居、醫(yī)療和環(huán)境監(jiān)控等多個領域得到了廣泛應用。[1][2]

在工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測采集這方面，目前我國大多是采用有線方式，現(xiàn)場需要大量布線，安裝費時費力，維護難度高，成本高，布局固定，這些因素降低了系統(tǒng)的靈活性、擴展性和性價比。

本系統(tǒng)基于Zigbee無線網(wǎng)絡技術，利用無線網(wǎng)絡節(jié)點組成了工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，靈活度高，可隨意更改節(jié)點位置，而無需擔心布線和維護的問題，且設計并開發(fā)了可應用于移動終端的軟件，實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場以外也能通過手機等便攜設備實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)由無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點、無線傳感網(wǎng)關、數(shù)據(jù)庫、移動終端等幾部分組成。無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點是整個系統(tǒng)的基礎，節(jié)點彼此間通過Zigbee網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸，可安置在工業(yè)現(xiàn)場，進行各種工業(yè)數(shù)據(jù)的采集。采集后的數(shù)據(jù)及時上傳到無線網(wǎng)關，經(jīng)過無線網(wǎng)關的處理，將數(shù)據(jù)通過Internet網(wǎng)絡傳輸?shù)揭苿咏K端，在移動終端可進行數(shù)據(jù)查詢，以達到實時監(jiān)測工業(yè)現(xiàn)場的目的。

本系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡主要是通過Zigbee技術來實現(xiàn)的。Zigbee技術具有傳輸距離較近、能耗低、成本低、延時短等特點，是一種雙向的無線通訊技術，主要服務于規(guī)模小、成本低的無線網(wǎng)絡，進行網(wǎng)絡連接與相關控制。在工業(yè)領域中，使用以Zigbee技術為基礎的傳感器網(wǎng)絡，能夠大大方便相關數(shù)據(jù)的采集與整合。[3]

2 系統(tǒng)架構

2.1 無線傳感網(wǎng)節(jié)點

本系統(tǒng)中的無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，即在工業(yè)現(xiàn)場進行工業(yè)數(shù)據(jù)采集的端設備。端設備節(jié)點由處理器模塊、采集模塊、電源模塊及其他外圍模塊組成。節(jié)點以STM32W108芯片作為處理器模塊，該處理器也是整個節(jié)點的核心，用于完成數(shù)據(jù)發(fā)送，數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點調度管理等工作；采集模塊包括各種傳感器和執(zhí)行器， 用于采集工業(yè)數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種內部功能；電源模塊直接為該系統(tǒng)所有硬件部分供電；其他外圍模塊包括按鍵模塊、LED模塊、低電量檢測電路等，這些模塊同樣為系統(tǒng)進行服務、執(zhí)行相關指令。

STM32W108與其他2.4GHzSoC芯片對比來看，其優(yōu)勢非常明顯。首先，在保持低功耗的基礎上，STM32W108采用了32 位的 ARM Cortex-M3內核，提高了強大的處理能力，處理速度遠超其他 8、16 位處理器；其次，芯片內部自帶功率放大器（PA），發(fā)射輸出功率可達+7dBm，與其他外置PA的系統(tǒng)相比，在保持了發(fā)射功率的同時更加簡單、便捷；除此之外，STM32W108 芯片不同版本分別固化了 802.15.4MAC、ZigBee、RF4CE 等協(xié)議棧， 用戶無需理解開發(fā)網(wǎng)絡協(xié)議，就可以進行符合相關標準的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品開發(fā)，從而降低開發(fā)難度，簡化開發(fā)流程，縮短開發(fā)周期。

2.2 無線傳感網(wǎng)關

2.2.1 網(wǎng)關功能分析

智能家居、智能交通等智能化網(wǎng)絡在實現(xiàn)過程中往往涉及到兩種或多種不同結構的網(wǎng)絡，如無線傳感器網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡。無線網(wǎng)關是連接無線傳感網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡之間的橋梁?；赯igBee 的無線網(wǎng)關整體結構包含ZigBee協(xié)調器節(jié)點部分和以太網(wǎng)控制部分，協(xié)調器節(jié)點負責收集無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)，并處理收集的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)經(jīng)內部處理打包傳輸給以太網(wǎng)控制單元，以太網(wǎng)控制單元模塊將數(shù)據(jù)轉換成以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)能夠通過 Internet網(wǎng)絡和移動終端之間互相傳輸，實現(xiàn)與移動終端之間的數(shù)據(jù)交互。[4][5]

對于無線網(wǎng)關應該具有如下功能：（1）無線網(wǎng)關能夠管理無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、發(fā)送。（2）無線網(wǎng)關能儲存數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時調用。（3）網(wǎng)關不僅要完成兩個協(xié)議之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，而且能夠保證高效、穩(wěn)定、可靠的傳輸數(shù)據(jù)。（4）網(wǎng)關能夠實現(xiàn)接入以太網(wǎng)絡時網(wǎng)絡參數(shù)的靈活匹配。

2.2.2 網(wǎng)關總體方案設計

基于無線傳感網(wǎng)絡和以太網(wǎng)轉換的網(wǎng)關系統(tǒng)包括無線傳感網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集和以太網(wǎng)驅動實現(xiàn)兩部分。無線網(wǎng)關通過無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點收集 ZigBee網(wǎng)絡內的節(jié)點數(shù)據(jù)，并解析ZigBee網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包，將數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關控制部分，網(wǎng)關控制部分接收到數(shù)據(jù)包后，控制以太網(wǎng)驅動單元根據(jù)以太網(wǎng)協(xié)議進行數(shù)據(jù)轉換并發(fā)送數(shù)據(jù)包，最后通過Internet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動終端，完成整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸。（如圖1所示）

2.3 數(shù)據(jù)庫

SQLite是一種開源的、與底層無關的，輕量級的數(shù)據(jù)庫 ， 最大支持2048 GB的數(shù)據(jù)存儲，與其它大多SQL數(shù)據(jù)庫不同的是， SQLite沒有獨立的服務進程。 SQLite中的數(shù)據(jù)庫文件是跨平臺的，可以在32位和64位系統(tǒng)之間，甚至Big-Endian和Little-Endian兩種不同的架構之間自由的拷貝數(shù)據(jù)，SQLite數(shù)據(jù)庫被用在大量的消費類電子產(chǎn)品中 。

SQLite數(shù)據(jù)庫具有以下特點：（1）零配置。SQLite數(shù)據(jù)庫不需要安裝和管理配置，在系統(tǒng)崩潰或失電之后可自動恢復；（2）支持標準SQL。特別是SQLite支持視圖、觸發(fā)器，支持嵌套SQL；SQLite還具有事務處理功能；（3）無中間服務器。SQLite數(shù)據(jù)庫沒有中間服務器進程。在使用SQLite時，訪問數(shù)據(jù)庫的程序直接從磁盤上的數(shù)據(jù)庫文件讀寫；（4）精簡性。當尺寸優(yōu)化后，在不減少功能的情況下，整個SQLite小于225kB。如果在編譯時去掉一些不需要的特征，能被減少到170kB；（5）存儲量大。最高能支持2TB的數(shù)據(jù)庫，運行速度比MySQL快1到2倍；（6）數(shù)據(jù)可自由共享。SQLite數(shù)據(jù)庫在PC機和嵌入式設備中采用相同的數(shù)據(jù)格式，其數(shù)據(jù)庫文件可以在PC機和嵌入式設備上自由共享；（7）無數(shù)據(jù)類型的限制。SQLite支持絕大部分的 SQL92標準，允許開發(fā)人員使用 SQL語句操作數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，但它不像MySQL、Oracle數(shù)據(jù)庫那樣需要安裝、啟動服務器進程，它是一種被嵌入到應用程序中的數(shù)據(jù)庫，它將存儲的數(shù)據(jù)都放在一個文件里面，這種方式非常適合移動終端平臺下的數(shù)據(jù)處理。SQLite的操作方式是一種很便捷的文件操作，應用程序只需打開一個文件進行讀寫操作即可。它不適合項目中有大量數(shù)據(jù)存儲及用戶并發(fā)儲存的場合，因為它的計算和存儲能力都不足以讓它充當服務器的角色。

SQLite支持目前Linux、Android、Windows、IOS等幾乎目前所有主流操作系統(tǒng)，同時對Java、C、C++等主流編程語言也支持完好。綜合它的小巧、易操作、易管理、易維護、占用資源少及查詢速度高等各方面優(yōu)點，只會有更多的嵌入式設備都用它來進行數(shù)據(jù)存儲。

結合以上分析，本平臺終端最終選擇SQLite數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)移動終端的部分數(shù)據(jù)存儲及管理功能。SQLite數(shù)據(jù)庫是一個真正的輕量級的數(shù)據(jù)庫，它沒有所謂的后臺進程，整個數(shù)據(jù)庫就對應于一個幾百KB的文件，這樣可以非常方便地在不同設備之間移植。[6]-[9]

2.4 移動終端

2.4.1 Android平臺

Android 是 Google 于 2007 年開發(fā)的基于 Linux 平臺的、開源的、免費的、智能手機系統(tǒng)，也是一個專為移動設備設計的軟件平臺，它包括一個操作系統(tǒng)、中間件和一些關鍵性的平臺應用。而且還可被移植到不同的硬件平臺上去，目前發(fā)布的 Android SDK 提供了使用Java語言開發(fā)Android平臺應用的必要工具和API。

一般Android系統(tǒng)分為了移植開發(fā)和上層應用程序開發(fā)兩個不同的開發(fā)方向；手機廠商大多數(shù)從事移植開發(fā)工作，而上層的應用程序開發(fā)則一般由任一單位和個人完成，開發(fā)的過程可以基于真實的硬件系統(tǒng)，也可以基于仿真器環(huán)境。因為其免費開源，贏得了大多數(shù)開發(fā)者與廠商的喜愛。

在Android平臺中，應用程序之間可以進行非常方便高效的溝通。一個應用程序的組件可以在另一個應用程序中起作用，也可以將Android內置的組件替換成自己開發(fā)或修改的組件；而且經(jīng)過簡單的聲明后，應用程序之間可以相互交互、訪問或調用對方的數(shù)據(jù)或功能來使用。

與其他平臺相比，安卓平臺提供了更多的即用型內置服務并且可以對應用程序實行自動化管理，如采用多層的安全措施將應用程序之間彼此分離，使智能電話的穩(wěn)定性增強，這些功能有利于提高功能標準，同時降低開發(fā)成本，并針對低能耗、低內存的設備進行優(yōu)化。

除此之外，安卓平臺還提供了豐富的開發(fā)環(huán)境包括設備模擬器、調試工具、內存及性能分析圖表和Eclipse集成開發(fā)環(huán)境插件。Android開發(fā)包SDK中包含了大量的類庫和開發(fā)工具。所有的開發(fā)代碼可以在ARM、X86和其他架構之間進行移植。[10]由于安卓平臺具有以上優(yōu)點及特性，經(jīng)過綜合考慮，選擇安卓平臺來搭建移動終端軟件。

2.4.2 移動應用開發(fā)流程

在著手開發(fā)應用軟件之前，應該把開發(fā)流程先確定好，這樣按步驟實行，既可以高效完成任務，又不容易出錯。首先開發(fā)者應對需求進行分析，做好市場調研，根據(jù)需求設計移動終端平臺上的基本功能模塊。接下來進行交互設計，主要設計應用軟件與用戶的互動界面，使其更加智能化。下一步應進行界面視覺設計，視覺設計會使得應用軟件更具操作性和靈活性，用視覺語言去解決邏輯問題，用最簡潔的色彩和圖片表達出最準確的內容。經(jīng)過前幾個步驟，就可以根據(jù)靜態(tài)樣本進行代碼設計了。代碼設計是重中之重，通過計算機語言具體實現(xiàn)各個模塊的功能。實現(xiàn)每一個功能模塊完成之后要進行功能測試，完成后再把所有功能模塊架構到整體框架下進行整體測試，并進行代碼優(yōu)化和修改。本系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程如圖2所示。

2.4.3 功能模塊設計

移動終端所實現(xiàn)的功能主要是對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示，并可以在移動終端查詢一定時間范圍內的歷史數(shù)據(jù)。因此，功能模塊主要包括工業(yè)數(shù)據(jù)實時顯示模塊和歷史數(shù)據(jù)查詢模塊。圖3為系統(tǒng)的運行界面。

3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)在工作人員操作下，由無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點采集工業(yè)數(shù)據(jù)，在移動終端即可實現(xiàn)對所有工業(yè)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

4 結束語

文章介紹了無線傳感網(wǎng)移動監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，相對于傳統(tǒng)同現(xiàn)場的監(jiān)測方案，該系統(tǒng)有著成本低、靈活度高、機動性高等諸多優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測方案中布線難、維護難、成本高等諸多問題，具有創(chuàng)新性和市場應用價值，具有非常好的推廣前景。

參考文獻

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作者簡介：張勇（1974-），男，吉林農安，碩士，副教授，研究方向：智能儀器及物聯(lián)網(wǎng)應用設計。