朱燦基，盧濤*，馮鞏，程時鵬，賀宏偉

1.武漢工程大學計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2.智能機器人湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

面向物聯(lián)網的分布式跨平臺數(shù)據傳輸系統(tǒng)設計

朱燦基1，2，盧濤*1，2，馮鞏1，2，程時鵬1，2，賀宏偉1，2

1.武漢工程大學計算機科學與工程學院，湖北 武漢 430205；2.智能機器人湖北省重點實驗室（武漢工程大學），湖北 武漢 430205

基于物聯(lián)網的工業(yè)生產環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要利用傳感器實時感知和采集監(jiān)測對象的信息，通過傳感器網絡將這些實時數(shù)據匯聚到數(shù)據服務器.針對異構傳感器組網中的跨平臺數(shù)據傳輸問題，提出了面向物聯(lián)網的5層分布式跨平臺數(shù)據傳輸框架，采用ZigBee組成傳感器網，開發(fā)傳感器網數(shù)據協(xié)調器匯聚傳感器數(shù)據，利用TCP／IP協(xié)議下的套接字技術實現(xiàn)數(shù)據的跨平臺傳輸，網絡層將傳感器網采集到的實時監(jiān)測數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據服務器，提供監(jiān)控對象的實時數(shù)據服務，在此基礎上，實現(xiàn)了基于多監(jiān)控指標安全閾值限定的自動智能報警功能.設計的物聯(lián)網數(shù)據傳輸系統(tǒng)已經應用到了工業(yè)環(huán)境監(jiān)控領域，實現(xiàn)了監(jiān)控對象的實時數(shù)據采集和智能預警.

物聯(lián)網；分布式；跨平臺；無線傳感器網絡

0 引言

物聯(lián)網被譽為第三次信息化浪潮的前沿，是信息產業(yè)領域未來競爭的制高點和產業(yè)升級的核心驅動力.2009年溫家寶總理在無錫考察時提出“感知中國”，大力發(fā)展物聯(lián)網事業(yè)，使中國在物聯(lián)網研究方面搶占先機.2014年國務院出臺《關于加快發(fā)展生產性服務業(yè)促進產業(yè)結構升級調整的指導意見》，提出“積極運用云計算、物聯(lián)網等信息技術，推動制造業(yè)的智能化、柔性化和服務化，促進定制生產等模式創(chuàng)新發(fā)展”.物聯(lián)網技術具有很廣闊的應用前景，涉及交通、物流、電力、市政、工業(yè)、軍事等領域.目前我國物聯(lián)網技術仍處于起步階段，在物聯(lián)網監(jiān)控應用中，主要技術仍是對單點或單種類型數(shù)據進行采集和傳輸，無法全面的監(jiān)測環(huán)境整體的狀況，由于數(shù)據的欠采樣和傳輸?shù)难舆t而使監(jiān)控預測出現(xiàn)較大的偏差.為了實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據的綜合采集和實時傳輸，滿足對生產環(huán)境大數(shù)據的實時分析和處理，采用異構性的分布式跨平臺數(shù)據傳輸系統(tǒng)，能夠在傳感器網絡中根據不同地點的多種傳感器設備感知環(huán)境狀態(tài)，并進行數(shù)據的實時傳輸、分析和處理，讓用戶不論在何時何地都能夠第一時間掌控監(jiān)控環(huán)境的狀況.

分布式跨平臺數(shù)據傳輸系統(tǒng)能有效的提高數(shù)據獲取的廣泛性和實時性，引起了廣大研究者的關注.2012年中國科學院沈陽自動化研究所張曉玲［1］在《無線傳感器網絡傳輸調度方法綜述》一文中以無線傳感器網絡傳輸調度算法為研究對象，提出了解決網絡調度的理論方法，但是已有的傳輸調度理論和方法還不能完全滿足實際問題的需求.同年，中國礦業(yè)大學的韓忠［2］在《基于ZigBee的礦井綜采面無線傳感器網絡監(jiān)測系統(tǒng)設計》中介紹了對煤礦井下環(huán)境的傳感器網絡設計，解決了大量監(jiān)測點的無線組網問題，但是在數(shù)據傳輸?shù)陌踩院蛯崟r性方面不能達到很好的預期.2011年伍粵山［3］在《智能家庭監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)》中設計基于嵌入式Linux的智能家庭監(jiān)控系統(tǒng)，使得智能家庭數(shù)字化、多媒體化、網絡化，但是系統(tǒng)穩(wěn)定性也略有不足.

2007年潘巨龍［4］在《無線傳感器網絡的異構性研究》中采用分簇的方式，降低了網絡整體平均消耗能量，提高了網絡的生命周期，但是異構傳感器網絡環(huán)境下的低能量多協(xié)議協(xié)同的安全問題不能得到保證，節(jié)點的能量消耗也過大.分布式的跨平臺數(shù)據傳輸系統(tǒng)正是解決以上問題的方法之一，依據傳感器層的數(shù)據獲取、傳輸層和網絡層的數(shù)據傳輸、數(shù)據層及上層的數(shù)據應用和分析，實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)控和預警.

1 系統(tǒng)的整體設計

分布式跨平臺數(shù)據傳輸系統(tǒng)主要實現(xiàn)的是以傳感器網絡為基本的數(shù)據采集模塊、以ZigBee的自組網技術和網關通信作為數(shù)據傳輸模塊和數(shù)據存儲設備作為數(shù)據服務器、Web服務器為前端監(jiān)控的數(shù)據顯示平臺.將系統(tǒng)分為傳感器層、傳輸層、網絡層、數(shù)據層、服務層5個層次，系統(tǒng)各層之間相互協(xié)調，完成各自的任務.傳感器層是在不同位置使用各類傳感器進行數(shù)據獲取，實時得到環(huán)境中各類數(shù)據值.傳輸層是以ZigBee協(xié)調器為傳感器網絡的接收設備，對傳感器網中子節(jié)點獲取的數(shù)據進行匯集，并通過串口通信發(fā)送給網關.網絡層實現(xiàn)的是TCP／IP協(xié)議下的Socket通信功能，將數(shù)據傳至數(shù)據服務器.數(shù)據層是對數(shù)據的整理和存儲操作.服務層是依靠手機客戶端和Web服務器為主的終端顯示.對于Web服務器而言，直接調用數(shù)據庫中數(shù)據，在網頁中顯示出數(shù)據的動態(tài)變化，并對數(shù)據進行預警值的對比，及時反饋預警信息.系統(tǒng)總流程圖如圖1所示.

圖1 分布式物聯(lián)網數(shù)據傳輸系統(tǒng)結構圖Fig.1 The system structure diagram of distributed Internet data transmission

2 硬件平臺系統(tǒng)設計

2.1 無線傳感器網

無線傳感網絡（WSN，wireless sensor networks）綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、計算機網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息.

2.1.1 ZigBee組網具有低功耗、低成本、低復雜度、適中數(shù)據傳輸率特點自組織功能的ZigBee無線通信技術為無線監(jiān)控網絡的組建提供了技術基礎.一個ZigBee自組網網絡是以一個節(jié)點作為協(xié)調器，其他節(jié)點作為子節(jié)點.網絡中的每個子節(jié)點根據FDMA（頻分多址）原理使多個ZigBee分配在時隙相同而頻率不同的信道上，這樣可以使協(xié)調器和多個ZigBee同時通信.FDMA可使通道容量根據要求動態(tài)的進行交換，滿足自組網的需求.

ZigBee協(xié)調器在加電以后，首先會建立一個無線網絡，當網絡建立完成并允許新設備加入時，子節(jié)點才可以申請加入網絡，并分配地址給子節(jié)點.利用1個接收模塊實現(xiàn)對多個不同頻道上的發(fā)送模塊進行點對多點無線通訊.

2.1.2 傳感器將傳感器連接在ZigBee設備的傳感器IO接口處，組成了一個無線傳感器網絡中的末端子節(jié)點，可獨立的采集數(shù)據，并在自組網中將數(shù)據傳輸給協(xié)調器.這樣就實現(xiàn)了以ZigBee為基礎的數(shù)據傳輸網絡，以傳感器為基礎的數(shù)據采集網絡，實現(xiàn)對監(jiān)控數(shù)據的采集和傳輸.本文主要介紹幾種常用的傳感器.

（1）溫濕度傳感器

采用SHT10溫濕度傳感器進行闡述，SHT10溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器.具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性.傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A／D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接.因此，該型號傳感器具有超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點.

（2）煙霧傳感器

MQ-2煙霧傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（SnO2），二氧化錫通過氣體濃度改變導致導電率改變而產生微弱的電信號，再通過放大器對信號放大，再由A／D轉換為數(shù)字信號.故對氣體和煙霧的靈敏度高.具有廣泛的探測范圍、高靈敏度、優(yōu)異的穩(wěn)定性、簡單的驅動電路等優(yōu)良的性能，使它廣泛應用于家庭和工廠的氣體泄漏監(jiān)測裝置，適宜于液化氣、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氫氣、煙霧等的探測.

2.2 網關

以ARM平臺為底層硬件，Linux內核系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺，可拓展的通信功能滿足了各種通信系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通.基于ARM體系結構平臺的搭建，我們采用Samsung S5PV210嵌入式微處理器，具有低成本、低功耗、高性能等優(yōu)良品質.集成了ARM的Cortex-A8核，包含32 kB／32 kB I／D Cache和512 kB的L2 Cache，處理器最高可達到運行頻率1 GHz.并采用64位內部總線結構，具有良好的外部存儲器結構，這種優(yōu)化的結構能夠在高端的通信服務中維持很高的內存寬帶.S5PV210處理器的結構圖如圖2所示.

圖2 處理器結構圖Fig.2 The structure diagram of processor

Linux內核系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，能夠很好的實現(xiàn)軟件設計，同時還具有良好的可移植性、可定制的特性以及開放源代碼和價格低廉、功能強大的優(yōu)勢核心.嵌入式Linux系統(tǒng)是一種由裁剪過的內核和根據需要定制的系統(tǒng)模塊組成的小型操作系統(tǒng)，主要由進程調度，內存管理，虛擬文件系統(tǒng)，網絡接口，進程間通信五個子系統(tǒng)構成.系統(tǒng)帶有一個完整的TCP／IP協(xié)議，同時也支持其他許多網絡協(xié)議，是一個網絡完備的操作系統(tǒng).嵌入式系統(tǒng)與通信、網絡技術的結合使得網絡通信有很高的可靠性和穩(wěn)定性，對于實時通信、低誤碼率的實現(xiàn)有很高的可操作性.

3 軟件系統(tǒng)

3.1 ZigBee自組網

ZigBee協(xié)議結構上可分為三個層次，即Application level、Zigbee stack level、Physical link level三個層次.每一層為其上層提供特定的服務:即由數(shù)據服務實體提供數(shù)據傳輸服務；管理實體提供所有的其他服務.每個服務實體通過相應的服務接入點為其上層提供一個接口，每個服務接入點通過服務原語來完成所對應的功能.

ZigBee模塊是在IEEE802．15．4規(guī)范及ZigBee協(xié)議棧Z-Stack規(guī)范下的無線通訊自組網的設計.即協(xié)調器自動組網，終端節(jié)點自動入網，建立數(shù)據通信后采用周期定時發(fā)送消息，實現(xiàn)數(shù)據的實時傳輸.ZigBee協(xié)調器和子節(jié)點的的軟件流程圖如圖3和圖4所示.

圖3 ZigBee協(xié)調器流程圖Fig.3 The flow chart of ZigBee

圖4 ZigBee子節(jié)點流程圖Fig.4 The flow chart ofcoordinator ZigBee child nodes

3.2 網絡通信

對于一個嵌入式設備網絡，其中的監(jiān)控主機多采用Windows系列操作系統(tǒng)，而要實現(xiàn)嵌入式Linux與監(jiān)控主機進行跨平臺通信時，采用Linux下用C語言編程語言實現(xiàn)，Windows下使用C＃編程語言實現(xiàn).針對嵌入式設備通訊主要是發(fā)送接收一些實時數(shù)據信息及指令，為保證實時性和穩(wěn)定性，選擇一種可靠的面向連接服務的數(shù)據流套接字（TCP／IP協(xié)議），套接字的地址格式是一個IP地址和一個端口號，它實現(xiàn)了網關與服務器的端到端的通信.

Linux系統(tǒng)下Socket編程不同于Windows操作系統(tǒng)下的Socket編程，但是它們都是基于TCP／IP協(xié)議下的Socket編程，都是網絡協(xié)議傳輸層提供的通信接口.網關中Socket通信基本流程如圖5所示，客戶端和服務器進行三次握手才能夠建立連接，進行數(shù)據傳輸.

圖5 套接字的通信流程Fig5 The communication process of socket

4 系統(tǒng)的實現(xiàn)

4.1 無線傳感器節(jié)點設備

無線傳感器網絡的建立是以CC2530芯片設計的ZigBee模塊和各傳感器組成的，是監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據獲取部分，ZigBee模塊支持USB供電和電池供電方式，可通過傳感器IO接口外擴多種傳感器模塊，采用高性能和低功耗的增強型8051微控制器內核，并提供多種外設接口.ZigBee模塊實物圖如圖6所示.

圖6 ZigBee模塊實物圖Fig6 The physical map of ZigBee

4.2 網關實現(xiàn)

傳輸數(shù)據的網關是用Samsung S5PV210嵌入式微處理器為主控，在Linux內核系統(tǒng)平臺下開發(fā)軟件.首先通過對ARM開發(fā)板燒寫內核系統(tǒng)，然后在交叉編譯的環(huán)境下編譯程序，在通過NFS服務器將程序燒寫入ARM開發(fā)板中.開發(fā)板左側的串口通過串口線連接計算機，在計算機上打開超級終端運行開發(fā)板中的程序，并顯示程序的運行情況.右側擴展版中的串口與ZigBee協(xié)調器通過串口線進行串口傳輸，網關將數(shù)據通過路由器傳輸?shù)街鞣掌髦?實現(xiàn)數(shù)據的實時傳輸.圖7是數(shù)據傳輸部分的接口連接.

圖7 網關的硬件接口連接Fig7 The interface connection of gateway

4.3 數(shù)據庫設計

數(shù)據庫作為信息存儲的載體，使得數(shù)據得到了有序、高效的管理和維護.為方便進行后期的數(shù)據分析和處理，數(shù)據庫的設計就顯得尤為重要.本系統(tǒng)采用SQL Server數(shù)據庫來存儲數(shù)據，建立多個頁表，來分類存儲從各個傳感器獲取的數(shù)據信息.

4.4 數(shù)據服務的實現(xiàn)

基于Web方式的遠程監(jiān)控.主服務器負責將接收到的數(shù)據分類匯總并寫進數(shù)據庫，為Web服務器的調用數(shù)據做準備.Web服務器則將數(shù)據進行處理、分析、統(tǒng)計、顯示和預警等.系統(tǒng)通過路由設備接入Internet，這樣，監(jiān)控人員可在任何地點通過網絡連接根據不同的權限登錄監(jiān)控平臺，獲取實時的現(xiàn)場數(shù)據.圖8是某測量點在一定時間范圍內的溫度數(shù)據曲線，當溫度超過了預警值的上限時會有語音報警，預警部分呈紅色區(qū)域.溫度低于下限值時，預警部分呈現(xiàn)藍色區(qū)域.

圖8 溫度數(shù)據曲線Fig8 The data curve of temperature

5 結語

本文主要搭建了一個以無線傳感器網絡為數(shù)據采集，網關傳輸，主服務器接收數(shù)據，Web服務器分析、處理、統(tǒng)計、顯示數(shù)據的完整監(jiān)控系統(tǒng)．本設計以Samsung S5PV210嵌入式微處理器為主控單元，完成數(shù)據網絡傳輸．以CC2530芯片設計的ZigBee模塊和各傳感器組成的無線傳感器網為數(shù)據采集系統(tǒng)．以Web服務器為前端監(jiān)控平臺，對數(shù)據進行處理分析、界面顯示、預警等功能．共同協(xié)調完成工業(yè)生產環(huán)境的監(jiān)控功能．

致謝:

本文受到湖北省自然科學基金項目（2012FFA099，2012FFA134，2013CF125，2014CFA 130）；湖北省教育廳重點項目（D20141505）、武漢市科技攻關項目（編號:201301062010217）；武漢工程大學科學研究基金；武漢工程大學校長基金項目（2014063）；武漢工程大學研究生創(chuàng)新基金（CX2013103，CX2014082）資助，在此表示衷心感謝．

［1］張曉玲，梁煒，于海斌，等．無線傳感器網絡傳輸調度方法綜述［J］．通信學報，2012，33（5）:143-157．

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ZHU Xiao-ping，SUN Jun，F(xiàn)ANG Yan-jun．A communication method between embedded Linux and Windows using JVM［J］．Microcomputer Information，2008，24（11）:3-5．（in Chinese）

Design of distributed cross-platform data transmission system based on Internet of things

ZHU Can-ji1，2，LU Tao1，2，F(xiàn)ENG Gong1，2，CHENG Shi-peng1，2，HE Hong-wei1，2
1.School of Computer Science and Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China；2.Hubei Key Laboratory of Intelligent Robot（Wuhan Institute of Technology），Wuhan 430205，China

The monitoring systems of the industrial production environment based on the Internet of things mainly use the sensor to perceive and collect the information of objects in real-time．Then these real-time data are converged to data server by the sensor network．Aimed at the cross-platform data transmission in the heterogeneous sensor network，the five layer distributed cross-platform framework for data transmission oriented the Internet of things was proposed．The framework developed sensor network coordinator to converge the sensor data by using the ZigBee to form the sensor network，and used the socket techniques of TCP／IP protocol to realize the cross-platform data transmission．Next，the real-time monitoring data collected by the sensor network are transformed by the network layer to the data server．Finally，the network layer provides the realtime data service of the monitoring object to realize the automatic and intelligent alarm by the safety threshold limit values of monitoring indicators．The data transmission system was applied to the industrial environmental monitoring field and achieved real-time data collection and intelligent alarm of the monitoring objects．

the Internet of things；distributed；cross-platform；wireless sensor network

TB35

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.03.015

1674-2869（2015）03-0074-05

本文編輯：陳小平

2015-01-22

武漢工程大學校長基金項目（2014063）

朱燦基（1992-），男，河南漯河人，研究方向:模式識別，圖像處理．*通信聯(lián)系人.