王楊 陳志亮 侯紅霞 鄭碧華

摘 要 本設(shè)計擬結(jié)合4G移動通訊技術(shù)，研究開發(fā)新一代的WSN數(shù)據(jù)遠程傳輸技術(shù)，旨在更經(jīng)濟、更快速、更有效地滿足遠程監(jiān)測的需求，擴大WSN技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。本項目能將WSN與4G通信技術(shù)有效結(jié)合。

關(guān)鍵詞 4G通信技術(shù)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；技術(shù)路線

中圖分類號 TN92 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2018）213-0106-02

1 項目的研究目的和意義

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN ）是一種以傳感器、無線通信和計算機應(yīng)用等科學(xué)技術(shù)為依托的新興計算模式，由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點通過自組織的無線通信方式協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)。WSN以其自身的優(yōu)勢得到了廣泛應(yīng)用，可應(yīng)用在軍事及民用等許多領(lǐng)域，例如敵情偵察、環(huán)境監(jiān)測等方面。WSN被美國《技術(shù)評論》列為對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新技術(shù)之一，由此成為一個新興的前沿研究熱點。

本項目主要對基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的WSN信息遠距離傳輸技術(shù)進行研究，目的是為了尋求一種高效經(jīng)濟、適用于較大數(shù)據(jù)量的遠程傳輸方式。目前，對于基于4G通信網(wǎng)絡(luò)的WSN數(shù)據(jù)遠程傳輸，盡管有很多廠商和研究者進行研究，但大多都處于起步階段，還不成熟，需要進行進一步的研究和開發(fā)。本課題分析并研究如何有效利用4G通信網(wǎng)絡(luò)進行遠程數(shù)據(jù)的低成本高效傳輸，并在數(shù)據(jù)的正確性、完整性方面進行保障，以滿足偏遠地區(qū)或無internet網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域下WSN數(shù)據(jù)的遠程傳輸要求，完成對WSN覆蓋區(qū)域的遠程實時監(jiān)測任務(wù)。本項目能將WSN與4G通信技術(shù)有效結(jié)合，在需要遠程實時監(jiān)測給定區(qū)域的實際應(yīng)用中具有重要經(jīng)濟價值。

2 研究現(xiàn)狀

中國WSN研究首次正式出現(xiàn)于1999 年中國科學(xué)院《知識創(chuàng)新工程點領(lǐng)域方向研究》的“信息與自動化領(lǐng)域研究報告”中，并成為報告中的五大重點項目之一。2001年中國科學(xué)院依托上海微系統(tǒng)所成立微系統(tǒng)研究與發(fā)展中心，旨在引領(lǐng)中科院WSN的相關(guān)工作。2005年，將WSN基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)列入重點研究計劃。2006年將水下移動傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)列為重點研究項目。國家發(fā)改委下一代互聯(lián)網(wǎng)（CNGI）示范工程中，也部署了WSN相關(guān)的課題。在一份我國未來20年預(yù)見技術(shù)的調(diào)查報告中，信息領(lǐng)域157項技術(shù)課題中有7項與傳感器網(wǎng)絡(luò)直接相關(guān)。

近年來，隨著實際應(yīng)用需求的變化及通信技術(shù)的不斷發(fā)展，WSN數(shù)據(jù)的遠程傳輸?shù)玫搅嗽絹碓蕉嗟年P(guān)注。目前，國內(nèi)外對WSN數(shù)據(jù)的遠程傳輸研究取得了一定的成果，主要是利用Zigbee模塊構(gòu)建WSN網(wǎng)絡(luò)并進行網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)收集，然后使用GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。GPRS運行費用較低但帶寬有限，當WSN數(shù)據(jù)量較大的情況下，該數(shù)據(jù)傳輸方式就無法勝任。

3 研究內(nèi)容

3.1 構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)

制作多個智能化微節(jié)點，使其集信息傳感、數(shù)據(jù)級信息融合和無線通信等功能于一體。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建由多個智能化微節(jié)點組成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該研究內(nèi)容主要是為WSN數(shù)據(jù)的遠程傳輸提供設(shè)備支持，主要涉及節(jié)點的自定位、節(jié)點傳感數(shù)據(jù)的采集和WSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的數(shù)據(jù)匯集。

3.1.1 溫濕度檢測模塊的選型

方案一：數(shù)字式溫度傳感器一般選擇的是在目前很多工農(nóng)業(yè)場合很多采用DS18B20作為系統(tǒng)測溫元件，由于該測溫元件輸出信號是數(shù)字信號，它能很好的與微控制器進行命令和數(shù)據(jù)傳輸，且該測溫元件的外圍電路要求很簡單，穩(wěn)定性也相對不錯，能很大程度上簡化硬件電路的設(shè)計，但是其檢測范圍僅限于溫度測量，檢測功能比較單一，得需要搭配濕度檢測元件才可以滿足本設(shè)計的設(shè)計理念，所以說，該器件不適和應(yīng)用該系統(tǒng)的設(shè)計。

方案二：能同時輸出溫度與濕度的傳感器叫做DHT11溫濕度傳感器，它是數(shù)字式傳感器，并且它的輸出信號是已經(jīng)預(yù)先校準后的。該傳感器內(nèi)部采用的是專門應(yīng)用的溫濕度傳感技術(shù)，這樣就能夠確保傳感器保持穩(wěn)定運行工作。DHT11溫濕度傳感器的傳輸方式是單總線，最遠傳輸距離為50m，具有很多優(yōu)點尤其是體積小的優(yōu)點和能耗低的特性。

以上兩種方案對比，最終選擇了方案二作為本系統(tǒng)的溫濕度檢測器，因為DHT11溫濕度傳感器的功能要比方案一強大許多，所以最終選擇方案二。

3.1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的選型

方案一：目前使用藍牙模塊傳輸數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)傳輸過程中最常見的傳輸方式，藍牙的傳輸距離在10m以內(nèi)。如果需要傳輸?shù)綆资祝敲此{牙模塊就要加相應(yīng)的功率放大器件。這就給測量帶來了麻煩與不便，而且藍牙的穩(wěn)定性與抗干擾性都比較低，容易出現(xiàn)中斷連接不上等問題。因此該項技術(shù)還得需要在實際應(yīng)用上考驗。

方案二：NRF24L01無線通訊模塊是目前通用的無線數(shù)據(jù)收發(fā)器芯片。NRF24L01的通訊協(xié)議為SPI，工作頻率在2.4GHz～2.5GHz之間，NRF24L01無線通信模塊是通過軟件程序來對通訊通道以及輸出的功率進行一系列的合理配置，其內(nèi)部還包含了多種的功能模塊，包含了功率放大器、振蕩器、解調(diào)器以及頻率合成電路等，穩(wěn)定性非常的強并且還有一個特點就是編程起來方法十分的簡單。

以上兩種方案對比，最終選擇了方案二作為本系統(tǒng)的無線傳輸模塊，NRF24L01無線傳輸模塊與藍牙模塊相比較，有非常強的抗干擾性能，穩(wěn)定性和安全性都是藍牙模塊所比及不了的。所以本設(shè)計的無線傳輸模塊最終選用了NRF24L01芯片。

3.1.3 系統(tǒng)供電電源的選型

方案一：單相變壓器將交流220V的交流電降壓到交流12V之后，再通過由單向不可控的二極管所搭建的橋式整流電路進行整流工作，經(jīng)過整流后的電壓將經(jīng)過7805三端集成穩(wěn)壓芯片變成5V之后與電容濾波電路繼續(xù)進行對它的電壓處理工作。該芯片的3號腳可將整流后的12V電壓通過穩(wěn)壓芯片內(nèi)部的穩(wěn)壓整流電路轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓傳輸給系統(tǒng)供電。

方案二：電源適配器元件，它的輸出電流較為穩(wěn)定而且其內(nèi)部電路功耗較低，穩(wěn)定性也相對較好，攜帶比較方便。

以上兩種方案對比，最終選擇了方案一作為本系統(tǒng)的供電方式，因為方案一在整個電路搭建過程十分的簡單，可以鍛煉一下自己的動手操作能力。

3.2 研究用于WSN數(shù)據(jù)收集和發(fā)送的3G網(wǎng)關(guān)設(shè)備

網(wǎng)關(guān)設(shè)備的性能直接關(guān)系到數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)挠行院蛯崟r性。本項目中網(wǎng)關(guān)設(shè)備基于4G通訊技術(shù)。4G通訊技術(shù)是當前越來越廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)，其通訊性能除了可以滿足常見的數(shù)據(jù)通訊需求，還可以滿足視頻等巨量信息的實時遠程傳輸。本研究內(nèi)容為設(shè)計與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，為下一步開發(fā)基于4G通訊技術(shù)的數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)於ɑA(chǔ)。

3.3 開發(fā)基于3G通訊技術(shù)的WSN數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)

基于3G通訊技術(shù)的WSN數(shù)據(jù)遠程傳輸系統(tǒng)能夠使WSN收集的信息（尤其是視頻數(shù)據(jù)）以實時在線方式得到遠程監(jiān)測，滿足相應(yīng)的應(yīng)用需求。本研究內(nèi)容主要涉及智能移動設(shè)備上運行的應(yīng)用程序開發(fā)，WSN數(shù)據(jù)的加密/解密、校驗、快速壓縮/解壓縮算法的研究等。

4 技術(shù)路線

4.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建

項目中使用的無線傳感器節(jié)點載有多種傳感器，擬包括溫度、濕度，以及視覺傳感器，滿足一般應(yīng)用需求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中，首需解決的問題有無線傳感器節(jié)點的定位、數(shù)據(jù)包的路由等。無線傳感器節(jié)點定位算法有質(zhì)心算法（Centroid Algorithm）、DV-Hop算法（Distance Vector-Hop）等。研究擬在具體應(yīng)用環(huán)境下對兩種定位算法進行實驗對比，選用適用本系統(tǒng)的定位算法。數(shù)據(jù)包的路由算法擬選用魯棒性較高的位置蹤跡輔助路由協(xié)議LOTAR（Location Trace Aided Routing）。

4.2 基于3G通訊技術(shù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計

利用3G通訊技術(shù)實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備花費少量費用即可充分利用現(xiàn)有的3G通信網(wǎng)絡(luò)進行巨量數(shù)據(jù)的收發(fā)，與通常利用GPRS實現(xiàn)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備相比具有很大優(yōu)越性。本項目將設(shè)計與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)備，擬采用以ARM7芯片為核心，與無線射頻芯片及其他模塊組成硬件系統(tǒng)。

4.3 WSN數(shù)據(jù)遠程監(jiān)測程序開發(fā)

基于廣泛用于智能移動設(shè)備開源的Android微操作系統(tǒng)，開發(fā)適用于智能移動設(shè)備的遠程監(jiān)測程序。Android以Linux2.6為核心，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并且不存在使用版權(quán)費用問題，是目前廣泛應(yīng)用的微操作系統(tǒng)。Android操作系統(tǒng)下可支持java和C++程序開發(fā)。Java語言是該操作系統(tǒng)下的常用開發(fā)語言，具有使用方便，開發(fā)周期較短等特點；C++語言開發(fā)周期較長，但獲得的應(yīng)用程序所需存儲空間較小，運行速度較快。項目中擬選用C++進行遠程監(jiān)測程序開發(fā)，以使開發(fā)出的應(yīng)用程序具有較高的代碼效率和運行速度，滿足視頻等巨量數(shù)據(jù)的實時處理。

參考文獻

[1]郭智源，韓建，等.基于STM32的PID和PWM溫度控制系統(tǒng)研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2011（6）：3805-3807.