高紹騰，曹自平，張金婭，王 巖

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.中國(guó)人民解放軍73685部隊(duì)，江蘇 南京 210000)

復(fù)雜場(chǎng)景下無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

高紹騰1，曹自平1，張金婭1，王 巖2

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.中國(guó)人民解放軍73685部隊(duì)，江蘇 南京 210000)

針對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景下對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的較高要求，設(shè)計(jì)了一種通用型的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)基于433 MHz ISM射頻頻段來(lái)完成數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)，并且在節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間設(shè)計(jì)了點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的自組網(wǎng)方法。收發(fā)節(jié)點(diǎn)先由Cortex-M3內(nèi)核的單片機(jī)控制收發(fā)，然后把數(shù)據(jù)傳入到嵌有OpenWrt開源系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)中，在網(wǎng)關(guān)中完成串口數(shù)據(jù)與Socket數(shù)據(jù)的相互轉(zhuǎn)換，最后通過WIFI技術(shù)把采集數(shù)據(jù)傳入PC端進(jìn)行監(jiān)測(cè)與反向控制，并在開源視頻服務(wù)器軟件MJPG-streamer的框架結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)視頻采集?？蛻舳塑浖捎肅#語(yǔ)言進(jìn)行編寫，除了簡(jiǎn)單的界面顯示之外，主要完成網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)處理、反向控制和監(jiān)控界面顯示等功能，使該系統(tǒng)具有較好的監(jiān)測(cè)功能以及人機(jī)互動(dòng)功能。整個(gè)系統(tǒng)的功耗較低、便攜性較高、實(shí)用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

無(wú)線傳輸；自組網(wǎng)；多點(diǎn)監(jiān)測(cè)；網(wǎng)關(guān)；視頻采集

0 引 言

隨著信息化的逐步深入，以及低功耗和高性能芯片的不斷推出，物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用前景愈加廣闊，低功耗嵌入式研究成為當(dāng)下熱點(diǎn)。如今許多工業(yè)、農(nóng)業(yè)或野外的監(jiān)測(cè)場(chǎng)合對(duì)設(shè)備布線的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的有線設(shè)備往往不具備通用性，而無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(WSN)具有低成本、移動(dòng)性好、無(wú)需布線等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于無(wú)法布線的場(chǎng)合以及對(duì)設(shè)備移動(dòng)性要求較高的場(chǎng)合[1-6]。因此設(shè)計(jì)一種體積小、便攜性高、功耗低的通用性無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方面將具有較好的實(shí)用性和靈活性[7-8]。

文中設(shè)計(jì)了一種節(jié)點(diǎn)之間自組網(wǎng)傳輸?shù)臒o(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的體積小、便攜性較高、功耗低，可用于多種場(chǎng)合。系統(tǒng)把傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)利用433M無(wú)線模塊接入到WIFI網(wǎng)關(guān)單元中，在移動(dòng)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)各種信息的匯總及處理。

1 系統(tǒng)方案與硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)的發(fā)送端與接收端均采用基于433M頻段收發(fā)的SI4432無(wú)線收發(fā)模塊，發(fā)送端通過Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機(jī)控制，以自組網(wǎng)的形式構(gòu)成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。通過單片機(jī)測(cè)量環(huán)境參數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)。接收端通過STM32單片機(jī)控制433M模塊完成數(shù)據(jù)的接收。數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)單元完成串口協(xié)議與Socket協(xié)議的轉(zhuǎn)換，然后傳送給上位機(jī)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

在網(wǎng)關(guān)單元上添加了采用MJPG-Streamer開源框架的視頻監(jiān)控。攝像頭的底部采用舵機(jī)控制，智能設(shè)備不僅可以監(jiān)測(cè)到發(fā)送端的數(shù)據(jù)變化和反向控制，還可以自由調(diào)整攝像頭的角度，監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的視頻情況，適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及野外探測(cè)等復(fù)雜場(chǎng)景下的工作。

圖1 系統(tǒng)框架

1.2 硬件設(shè)計(jì)

發(fā)送節(jié)點(diǎn)與接收端的控制芯片均采用Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列單片機(jī)，通過配置GPIO口的電平來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器和433M模塊。兩端通過433M模塊進(jìn)行組網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送節(jié)點(diǎn)預(yù)留了多種型號(hào)傳感器的接口，可搭載電壓型、電流型以及數(shù)字型傳感器。圖2是兩端節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成。

圖2 收發(fā)兩端的硬件設(shè)計(jì)

為了更好地實(shí)時(shí)監(jiān)控周圍環(huán)境，系統(tǒng)中的攝像頭部分安裝了舵機(jī)，可以通過上位機(jī)來(lái)控制STM32單片機(jī)(接收端)產(chǎn)生不同的占空比信號(hào)。該信號(hào)可以改變舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。

2 自組網(wǎng)設(shè)計(jì)

2.1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)433M無(wú)線收發(fā)模塊的通信方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，沒有組網(wǎng)能力。文中為防止多個(gè)節(jié)點(diǎn)在傳輸數(shù)據(jù)過程中產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，通過自定義組網(wǎng)算法改成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的層次化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在層次化組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中，按照分簇的思想，節(jié)點(diǎn)被分為兩大類：一類是簇內(nèi)成員節(jié)點(diǎn)即普通的傳感分節(jié)點(diǎn)，另一類是用作傳感數(shù)據(jù)匯集的簇頭節(jié)點(diǎn)，也可稱為中心節(jié)點(diǎn)或主節(jié)點(diǎn)。傳感分節(jié)點(diǎn)將采集的傳感數(shù)據(jù)通過無(wú)線通信匯集到中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)傳給上層節(jié)點(diǎn)。層次化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

針對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性等特性的需求，提出一種適用于本設(shè)計(jì)的星簇型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。如圖3所示，圖中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分成兩層，每一層都采用星形層次型拓?fù)涞姆绞较噙B，由簇頭和簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)組成。第一層的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)是由若干個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)組成，簇頭是由若干個(gè)中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)組成。第二層的簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)是由第一層的多個(gè)簇頭組成，簇頭則是與上位機(jī)相連的中心節(jié)點(diǎn)，也是終端節(jié)點(diǎn)[9]。

圖3 系統(tǒng)組網(wǎng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2.2 組網(wǎng)的頻點(diǎn)選擇

在數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)，收發(fā)兩端的頻點(diǎn)設(shè)置必須一致，頻點(diǎn)起始值可以通過寄存器RF_FREQ_BASE(0x2F)配置，信道間隔由寄存器CH_SPACE(0x2F)配置，信道號(hào)可通過寄存器CHANNEL1～CHANNEL8(0x28～0x2B)配置。其中CHANNEL1為主信道號(hào)，CHANNEL2～CHANNEL8為從信道號(hào)，從信道號(hào)只在信道跳頻模式開啟后有效，信道號(hào)的取值可以從0到255。RF_FREQ_BASE寄存器設(shè)置值以100 kHz為單位，即起始頻點(diǎn)為RF_FREQ_BASE*100(kHz)。

CH_SPACE確定頻點(diǎn)間隔的方式為：

00：間隔為100 kHz；

01：間隔為200 kHz；

10：間隔為400 kHz；

11：間隔為800 kHz。

最終發(fā)送或接收的主信道的頻點(diǎn)值為：

(RE_FREQ_BASE+CHANNEL1*2CH_SPACE)*

100(kHz)

設(shè)置CH_SPACE值，將頻點(diǎn)間隔設(shè)置為100 kHz，主信道中心頻段為433 MHz。

2.3 定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

考慮到該模塊在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中可能會(huì)受到外界因素干擾，所以采用單跳數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞剑總€(gè)傳感節(jié)點(diǎn)都有唯一的地址，并對(duì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)進(jìn)行地址匹配，進(jìn)而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性[10]。

首先，每個(gè)無(wú)線模塊都有一個(gè)ID編號(hào)，用來(lái)標(biāo)識(shí)每個(gè)模塊的來(lái)源地址。無(wú)線模塊在發(fā)送采集數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將此ID號(hào)寫入自定義數(shù)據(jù)包內(nèi)，標(biāo)識(shí)該數(shù)據(jù)的模塊來(lái)源，無(wú)線數(shù)據(jù)接收模塊在每次接收到數(shù)據(jù)后，單片機(jī)都要對(duì)發(fā)送模塊的ID號(hào)進(jìn)行核準(zhǔn)和判斷，以確定此次通信是自己需要的無(wú)線模塊發(fā)來(lái)的。數(shù)據(jù)包中ID編號(hào)的字節(jié)長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際的模塊數(shù)量來(lái)確定。

3 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)單元的設(shè)計(jì)

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信的程序設(shè)計(jì)流程

上位機(jī)采用C#語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括基本界面顯示、數(shù)據(jù)接收處理和實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。其中最重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)為服務(wù)器端的異步網(wǎng)絡(luò)通信程序的編寫，其流程圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)流程

3.2 OpenWrt系統(tǒng)的部署

系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)單元的核心是一種移植了OpenWrt系統(tǒng)的路由器，核心處理器是AR9331。OpenWrt系統(tǒng)是以Linux源碼為基礎(chǔ)的一個(gè)嵌入式系統(tǒng)，其高度模塊化，使開發(fā)者能夠方便地將各種功能移植到該系統(tǒng)下[11-12]。在OpenWrt系統(tǒng)下安裝ser2net便可以實(shí)現(xiàn)Socket協(xié)議與串口協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換。

OpenWrt系統(tǒng)的開發(fā)流程步驟為：

(1)創(chuàng)建Linux交叉編譯環(huán)境；

(2)創(chuàng)建uboot，編寫bootloader；

(3)移植Linux內(nèi)核；

(4)創(chuàng)建分區(qū)，構(gòu)建rootfs；

(5)安裝硬件驅(qū)動(dòng)程序；

(6)安裝軟件工具包。

3.3 MJPG-streamer的構(gòu)建

“MJPG-streamer”，是一個(gè)輕量級(jí)的視頻服務(wù)器軟件，利用某些硬件壓縮功能來(lái)降低服務(wù)器CPU的開銷，無(wú)需為視頻幀壓縮浪費(fèi)大量的計(jì)算效率[13-15]。該軟件采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，各功能模塊都放在plugins文件夾下，這些功能模塊稱之為插件。用戶可以根據(jù)自己的需求自由選擇需要的模塊，這種模塊化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了視頻服務(wù)器軟件的移植。插件分為輸入插件和輸出插件兩大類。輸入插件主要包括input_uvc、input_testpicture、input_control等，輸出插件主要包括output_file、output_http、output_udp、output_viewer等。MJPG-streamer起到了粘合劑的作用，把這些輸入輸出插件連在一起，幾乎所有的功能都由這些插件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

4.1 節(jié)點(diǎn)的功耗

傳感節(jié)點(diǎn)工作在3 V電壓下進(jìn)行測(cè)試。節(jié)點(diǎn)絕大多數(shù)時(shí)間處于低功耗模式，工作電流為8 μA，工作時(shí)間設(shè)為30 s；驅(qū)動(dòng)433M無(wú)線模塊的電流為50 mA；發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)間為90 ms，電流為7 mA。

平均電流的計(jì)算公式為：

(1)

根據(jù)式(1)可計(jì)算節(jié)點(diǎn)平均電流：

得到節(jié)點(diǎn)的平均功耗為：

P=UI=90.9(μW)

4.2 節(jié)點(diǎn)的傳輸性能

路徑損耗和陰影效應(yīng)會(huì)造成無(wú)線通信系統(tǒng)接收端的接收功率下降，甚至產(chǎn)生中斷。中斷率Pout可以表示為：

Pout(Pmin,d)=p(Pr(d)

(2)

即通信距離為d時(shí)，接收端的接收功率Pr(d)低于最小接收功率值Pmin的概率。

發(fā)送節(jié)點(diǎn)的傳輸距離和傳輸波特率會(huì)影響到接收端的P(r)，若低于Pmin，丟包率會(huì)迅速增加。因此分別在傳輸距離和波特率一定的情況下，測(cè)試系統(tǒng)總的丟包率。

測(cè)試傳輸距離時(shí)，波特率固定為1 200 bps；測(cè)試傳輸波特率時(shí)，距離固定為無(wú)障礙物190 m。

測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 節(jié)點(diǎn)的傳輸距離與丟包率的關(guān)系

表2 節(jié)點(diǎn)的傳輸波特率與丟包率的關(guān)系

信道的路徑損耗為發(fā)射功率和接收功率比值分貝數(shù)：

(3)

信號(hào)自由空間傳播的路徑損耗為：

(4)

可知接收端的接收功率與通信距離d的平方成反比，但是在200 m內(nèi)，接收功率P(r)沒有低于Pmin，因此丟包率不明顯。一旦超過了200 m，P(r)

(5)

傳輸信號(hào)的頻率固定，即帶寬固定。隨著傳輸波特率的增加，信號(hào)的平均功率下降，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾室蚕陆?，因此系統(tǒng)的丟包率增大。

通過上述測(cè)試，本設(shè)計(jì)中單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸距離在200 m以內(nèi)、波特率采用1 200 bps,就可以實(shí)現(xiàn)較為可靠的傳輸。傳感器本身采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量較小，因此采用1 200 bps波特率也可以滿足系統(tǒng)的傳輸速率。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)靈活性強(qiáng)，布線方便，二次開發(fā)容易，通用性強(qiáng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)中的自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)功耗較低、節(jié)點(diǎn)之間干擾較少、數(shù)據(jù)收發(fā)穩(wěn)定，可應(yīng)用于多種復(fù)雜的場(chǎng)景。為了進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，目前正在研究?jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募用芩惴ā?/p>

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DesignofWirelessMonitoringSysteminComplexScene

GAO Shao-teng1，CAO Zi-ping1，ZHANG Jin-ya1，WANG Yan2

(1.School of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Troop 73685 of PLA，Nanjing 210000,China)

Aiming at the high demand of the monitoring equipment in the complex scene,an universal wireless monitoring system is designed.Each sensor node in the wireless monitoring system completes the transmitting and receiving of data through 433 MHz ISM band radio frequency,and a point-to-multipoint ad hoc network method is used among these nodes.First of all,data in the transceiver node controlled by SCM (Single Chip Micyoco) with the Cortex-M3 microcontroller as its core is transmitted to the gateway embedded OpenWrt open-source system.Then,the interconversion between serial data and Socket data is carried out in the gateway.Finally,the collected data is ultimately transmitted to PC terminal for monitoring and reverse control by WIFI technology.In addition,the video capture is actualized in the MJPG-streamer framework,an open source video server software.The client software written by C#,in addition to simple interface display,is mainly for network communication,data processing,reverse control and monitoring interface display.Therefore,the system has better functions of monitoring and human-computer interaction,with low-power consumption,strong portability and high practicability,which can realize the multi-point monitoring.

wireless transmission;ad hoc network;multi-point monitoring;gateway;video capture

TP302

A

1673-629X(2017)12-0193-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.12.041

2017-01-16

2017-05-19 < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2017-09-27

教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-13-0871)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(61372044)；江蘇省高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(14KJA510002)

高紹騰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槟芰坎杉颓度胧郊夹g(shù)；曹自平，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槟芰孔跃S護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)及綠色無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170927.0958.060.html