清華大學合肥公共安全研究院 汪曙光 許令順 郭 志 方明英

基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究

清華大學合肥公共安全研究院 汪曙光 許令順 郭 志 方明英

隨著物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)接入的設(shè)備急劇增多，在很大程度上滿足了業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求的同時，也給業(yè)務(wù)系統(tǒng)訪問底層物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備造成極大困難。這一困境嚴重阻礙了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的進一步發(fā)展。本文從當前物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用背景出發(fā)，以物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)的關(guān)系為全文的切入點，分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本原理和結(jié)構(gòu)，總結(jié)了近年來國內(nèi)在無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的主要研究成果。為了闡明無線傳感網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用原理，本文還設(shè)計了一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計方案進行了詳細闡述，確定了系統(tǒng)實現(xiàn)的總體架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)各模塊的實現(xiàn)方案；提出了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺的總體層次結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進行了功能實現(xiàn)。本文的研究為無線傳感網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益的借鑒。

物聯(lián)網(wǎng)；無線傳感網(wǎng)；C/S 架構(gòu)；數(shù)據(jù)采集

0 前言

物聯(lián)網(wǎng)是近年興起的朝陽產(chǎn)業(yè)，它正在慢慢地改變?nèi)藗兊纳?，也逐漸成為國家的重要發(fā)展戰(zhàn)略，在智能交通、智能家居、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、智能監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著極為廣泛的應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將各種設(shè)備聯(lián)系起來，以實現(xiàn)上層應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求。但是現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)相對比較龐雜，造成物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部署與維護成本高，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)很難實現(xiàn)數(shù)據(jù)與資源共享，從而不利于互聯(lián)網(wǎng)的進一步發(fā)展。為此，必須構(gòu)建一個高效、健壯、安全、易用的、基于無線傳感網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，以減少開發(fā)成本，提高開發(fā)效率，降低開發(fā)風險，這對物聯(lián)網(wǎng)的研究與應(yīng)用具有十分關(guān)鍵的作用。

1 物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)

20世紀末，MIT Ash-ton 教授首次提出“物聯(lián)網(wǎng)”的概念。物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things，IoT）是繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第三次革命。從射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）的角度上看，物聯(lián)網(wǎng)實際上是一種基于互聯(lián)網(wǎng)和RFID技術(shù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了“物與物”、“人與物”之間的信息獲取、融合、傳播和共享。從傳感網(wǎng)應(yīng)用的角度看上，物聯(lián)網(wǎng)則是由傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信單元等節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)[1]。綜上所述，物聯(lián)網(wǎng)的定義可以歸納為：所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實現(xiàn)智能化識別和管理的網(wǎng)絡(luò)。

在物聯(lián)網(wǎng)的世界里，任意物體都有一個獨一無二的識別碼，無論何時何地都能與其它任意物體互聯(lián)。與互聯(lián)網(wǎng)相比，物聯(lián)網(wǎng)的重大突破在于它可以將真實的物理世界與虛擬的信息世界融合在一起。物聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)雖然都與網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，但他們是兩個不同的概念，有著很大的區(qū)別。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用是一種針對性極強的實際應(yīng)用，一句話就是“物物相聯(lián)”的對物應(yīng)用。無線傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)最根本的不同在于它立足一個地地道道的無線通信協(xié)議，而且利用傳感器作為節(jié)點。無線傳感網(wǎng)就其作用而言可以看作是一種小規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)，涉及的是一種物理信號檢測傳輸?shù)氖侄危瑧?yīng)用并無特別的針對性。為了達到物物相聯(lián)的目的，同時避免布線的成本與復(fù)雜度，物聯(lián)網(wǎng)就必須具備物理環(huán)境信息采集和傳輸?shù)墓δ?，這就需要用到無線傳感網(wǎng)了。無線傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的主要末端對接形式。

2 無線傳感網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）主要由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點和管理節(jié)點三大模塊組成[2]。傳感器節(jié)點就是終端的感知單元，用于采集各種物理量，它的體積較小，通常內(nèi)置有微型操作系統(tǒng)，但數(shù)據(jù)處理能力非常有限，節(jié)點能量由電池提供；匯聚節(jié)點的作用是對整個網(wǎng)絡(luò)進行協(xié)調(diào)控制，因此要求具有較強的數(shù)據(jù)處理能力，匯聚節(jié)點不但具有一般傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能，還集成了通用串行接口模塊來完成傳感器網(wǎng)絡(luò)的擴展功能，負責無線傳感網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成與采集終端的通訊和數(shù)據(jù)傳輸；管理節(jié)點可以對各傳感器節(jié)點進行控制和管理，使整個網(wǎng)絡(luò)處于正常工作狀態(tài)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)之間的有著很大的差異。首先，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點分布密集、數(shù)量巨大、拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工作在開放式空間中。其次，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要采用無線通信方式、廣播通信體制和事件觸發(fā)工作方式。再次，無線傳感器網(wǎng)容錯性強、自適應(yīng)能力好、動態(tài)性高等特點。最后，各傳感器節(jié)點具有很強的自組織能力，可以根據(jù)實際情況進行互相協(xié)調(diào)，組網(wǎng)形式非常靈活。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)比傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)更容易實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集自動化、控制自動化和信息發(fā)布自動化。

3 無線傳感網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于無線傳感網(wǎng)的眾多優(yōu)勢，其在物聯(lián)網(wǎng)中的地位日益得到體現(xiàn)，相關(guān)的學者、工程技術(shù)人員和科研單位也紛紛投入經(jīng)費開展研究。到目前為止，無線傳感網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用在國內(nèi)已有不少成果，在網(wǎng)絡(luò)接入、農(nóng)情監(jiān)測、能量均衡、醫(yī)療監(jiān)控、智能家居等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

為了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)無所不在的接入要求，華東師范大學提出了一種基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)融合的物聯(lián)網(wǎng)。文獻認為現(xiàn)有接入技術(shù)中，只有蜂窩網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)無所不在的接入，提出蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)融合技術(shù)中的一些通用功能，為蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)的融合提供一個可參考的共享功能模塊[3]。

昆明理工大學開發(fā)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)，融合了地理信息系統(tǒng)、遙感及衛(wèi)星定位系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境指標的全天候監(jiān)測和數(shù)據(jù)遠程傳輸，對實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)提供了重要、有效手段，具有十分重要的市場價值和應(yīng)用前景[4]。

大連理工大學針對物聯(lián)網(wǎng)中傳感器節(jié)點能量受限的問題，基于磁諧振耦合式無線能量傳輸技術(shù)，提出了一種基于無線能量傳輸?shù)哪芰烤饴酚伤惴?，從一個新的方向來研究物聯(lián)網(wǎng)能量均衡問題[5]。

內(nèi)蒙古科技大學提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，采用了高精度、可攜帶的醫(yī)療傳感設(shè)備對病人身體狀況進行實時監(jiān)控，同時提出模糊雙曲線定位算法，在醫(yī)療方面有廣闊的應(yīng)用前景[6]。

西安工程大學提出了基于無線物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的概念，將Zigbee、嵌入式和GPRS等多種物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)結(jié)合在一起，提出了一套全新的物聯(lián)網(wǎng)智能家居解決方案[7]。

4 無線傳感網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用舉例

為了闡明無線傳感網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用原理，本文設(shè)計了一套基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以制造企業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控為應(yīng)用環(huán)境，其主要工作原理如下。首先，工廠中安裝了視頻設(shè)備和大量傳感器，用于采集關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的實時工作狀態(tài)參數(shù)和運行圖像信息，然后通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把采集到的各類數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)端。通訊方式采用移動GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過TCP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)包，服務(wù)端接收到數(shù)據(jù)后立即存入本地數(shù)據(jù)庫，同時進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析，通過預(yù)設(shè)參數(shù)對數(shù)據(jù)進行比對檢查，以識別設(shè)備動作的故障信息或有可能出現(xiàn)的風險。一旦發(fā)現(xiàn)故障信息或者有出現(xiàn)故障的可能性，立即做出告警，告警信息通過短信的方式發(fā)送到管理人員的手機上，提醒管理人員及時處理，以避免事故造成的經(jīng)濟損失。

根據(jù)上述工作過程，本文將整個系統(tǒng)架構(gòu)分成了四個層次：應(yīng)用層、數(shù)據(jù)存儲控制層、數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層，如圖1所示。本方案的設(shè)計具有很多優(yōu)勢。首先，實現(xiàn)了層與層之間的分離，可以更好地把程序邏輯集中在每一層的關(guān)注點，同時保證了層與層之間協(xié)議和API 的完整性與有效性，使開發(fā)人員可以將注意力集中于層內(nèi)，而非層間。其次，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能和邏輯層的模塊化，使各層之間的邏輯都相互獨立，當某一層需求有變動時，無論在層內(nèi)做多大的修改，只要保證與鄰層的 API 不變，那么對其他層將不產(chǎn)生任何影響。這對于開發(fā)效率的提升有很重大的意義。再次，分層的設(shè)計思想進一步降低了系統(tǒng)間的耦合性。每一層的目的明確，若日后有類似項目需求，可以逐層選擇性復(fù)用。這點非常符合計算機軟件的開發(fā)過程中的松散耦合原則，代碼復(fù)用率得到很大的提升。最后，為了實現(xiàn)傳輸協(xié)議的健全性和穩(wěn)定性，本文對層與層之間的協(xié)議設(shè)計進行了優(yōu)化，避免了當層與層之間的 API 變動時對系統(tǒng)產(chǎn)生的負面影響。

圖1 基于無線傳感網(wǎng)的生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)分層設(shè)計方案

4.2 系統(tǒng)詳細設(shè)計

本系統(tǒng)的采集端負責生產(chǎn)現(xiàn)場的各類關(guān)鍵參數(shù)采集，這些數(shù)據(jù)主要包括攝像頭的實時圖像和各傳感器的設(shè)備狀態(tài)信息，采集到的數(shù)據(jù)通過 GPRS 實時傳輸?shù)较到y(tǒng)服務(wù)器。本系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)都是通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸出去的?？傊?，環(huán)境數(shù)據(jù)通過環(huán)境傳感器節(jié)點采集。通過 Zig Bee 局域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)的采集，并通過匯聚節(jié)點融合數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)融合完成后，網(wǎng)關(guān)將往物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)的工作準備就緒。

4．2．1 匯聚節(jié)點

現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳感器分布在各個角落，分別采集自己對應(yīng)的數(shù)據(jù)，并獨立進行工作。但是這些零散的數(shù)據(jù)需要進行匯總，并且各傳感器之間需要有一個協(xié)調(diào)者進行工作指揮，這種用于調(diào)協(xié)的環(huán)節(jié)就是匯聚節(jié)點。本系統(tǒng)的匯聚節(jié)點可以匯聚所有傳感器的數(shù)據(jù)，進行格式化后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸出去。

4．2．2 拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)就是網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備相連的形式。拓撲結(jié)構(gòu)一般可以分為：星型、環(huán)型、總線型等。由于本系統(tǒng)的各傳感器節(jié)點間是獨立工作的，相互之間不產(chǎn)生影響，系統(tǒng)性能和可靠性都非常高，但是對網(wǎng)絡(luò)延遲要求較嚴格?；谝陨戏治?，本系統(tǒng)采用了星型拓撲結(jié)構(gòu)。

4．2．3 數(shù)據(jù)鏈路層

數(shù)據(jù)鏈路層承載的是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在整個框架中的作用十分突出，它向上連接了感知網(wǎng)絡(luò)，實時收集來自下層的感知數(shù)據(jù)，向上又與傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。因此，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)起到了連接上下兩層的中間層作用，實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)形式之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。在本系統(tǒng)采用了TQ6410 嵌入式開發(fā)板，它可以很好地與硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進行對接，功能非常強大。TQ6410從傳感器節(jié)點接收無線網(wǎng)絡(luò)層傳輸過來的各種數(shù)據(jù)之后，再由GPRS Modem通過 PPP撥號上網(wǎng)的方式，采用 TCP/IP 協(xié)議將所有數(shù)據(jù)發(fā)至服務(wù)端，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)至中央數(shù)據(jù)中心進行下一步的處理。

4．2．4 數(shù)據(jù)存儲控制層

數(shù)據(jù)存儲控制層直接與服務(wù)器進行對接工作。首先必須進行監(jiān)聽端口的預(yù)設(shè)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)發(fā)來的所有數(shù)據(jù)都將通過該端口進行傳輸，其它端口將收不到任何有用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收后，將進行實時的存儲、處理以及展示。同時根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)對數(shù)據(jù)進行分析，一旦發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，將立即生成預(yù)警信息，并通過短信的方式發(fā)送給用戶。

4．2．5 服務(wù)端架構(gòu)設(shè)計

服務(wù)端作為數(shù)據(jù)的處理中心，具備高可靠性、可擴展性、可伸縮性、動態(tài)配置等特點。本系統(tǒng)采用了傳統(tǒng)的客戶機和服務(wù)器結(jié)構(gòu)（C/S 架構(gòu)）。客戶機采用WPF編程，帶有可視化操作界面。服務(wù)端的功能主要有監(jiān)控數(shù)據(jù)管理、監(jiān)控硬件信息管理、監(jiān)控結(jié)果管理以及對系統(tǒng)進行操作的相關(guān)管理，用戶可以很方便地對數(shù)據(jù)的接收與存儲、管理與顯示、預(yù)警回饋。

4．2．6 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要由各種用戶設(shè)備構(gòu)成，它的作用是為用戶展示數(shù)據(jù)，并與用戶進行交互。用戶可以通過手機、電腦等終端設(shè)備與系統(tǒng)底層進行交互。

5 總結(jié)

本系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)層中采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將多種傳感器數(shù)據(jù)進行了封裝處理，由匯聚節(jié)點傳輸給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)采用了TQ6410 嵌入式開發(fā)板，將數(shù)據(jù)從匯聚節(jié)點接收并發(fā)送至服務(wù)端。數(shù)據(jù)傳輸采用了GPRS 通信協(xié)議。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境數(shù)據(jù)多樣化和無線傳輸實時化。本文所設(shè)計的系統(tǒng)經(jīng)過三個月的試運行，各節(jié)點工作狀態(tài)正常，數(shù)據(jù)完整，數(shù)據(jù)傳輸可靠，基本完成了各項設(shè)計功能，用戶體驗良好，這說明本文的設(shè)計是合理的。無線傳感器網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用可以為整個系統(tǒng)的性能提升和構(gòu)架優(yōu)化提供很好的條件。本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

物聯(lián)網(wǎng)改善了人類生活，也促進了國家信息基礎(chǔ)建設(shè)，有力推動了國家信息化步伐。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進一步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)的未來也將面臨著無數(shù)的機遇與挑戰(zhàn)。不難預(yù)料，物聯(lián)網(wǎng)的研究重點將是解決通信距離短、受外部環(huán)境影響大、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)兼容、數(shù)據(jù)安全傳輸、超大網(wǎng)絡(luò)管理等問題，并逐漸形成完整的標準體系。

[1]薛衛(wèi)強．基于物聯(lián)網(wǎng)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與軟件的實現(xiàn)[D]．燕山大學,2013．

[2]物聯(lián)網(wǎng)無線應(yīng)用分析[J]．電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(01)：24-25．

[3]譚路．物聯(lián)網(wǎng)探索—蜂窩網(wǎng)絡(luò)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)融合問題[D]．華東師范大學,2011．

[4]段有艷．基于物聯(lián)網(wǎng)(無線傳感器網(wǎng)絡(luò))技術(shù)的農(nóng)情監(jiān)測系統(tǒng)研究[D]．昆明理工大學,2015．

[5]邱一騰．基于無線能量傳輸?shù)奈锫?lián)網(wǎng)能量均衡策略研究[D]．大連理工大學,2013．

[6]錢志鴻,王義君．面向物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜述[J]．電子與信息學報,2013,35(01)：215-227．

[7]劉學彬．基于無線物聯(lián)網(wǎng)的智能生態(tài)家居控制系統(tǒng)研究與設(shè)計[D]．西安工程大學,2011．

汪曙光（1978—），男，安徽潁上人，博士，副教授，研究方向：公共安全。