基于6LoWPAN和ARM的校園無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計※*

崔波，周圓

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

基于6LoWPAN和ARM的校園無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計※*

崔波，周圓

（天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院，天津300072）

為了實現(xiàn)對校園多種傳感信息的實時采集、處理和監(jiān)控，以及對電器實現(xiàn)智能控制。本文采用TI公司的CC2530無線模塊實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的自定義組建與通信?？蛻舳瞬捎肞C、iOS和Android三種實現(xiàn)，能夠隨時登陸查看相應(yīng)信息，并遠程控制電器。本方案解決了校園與互聯(lián)網(wǎng)的信息無縫連接問題，具有廣闊的應(yīng)用前景。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)；嵌入式網(wǎng)關(guān)；6LoWPAN；網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

引言

近年來智能校園、綠色校園的理念已經(jīng)深入人心。首先，人們可以通過對校園內(nèi)各種資源的有效監(jiān)測，進一步節(jié)約能源。其次，通過對各種環(huán)境因素進行監(jiān)測，有助于保障安全、方便學(xué)習(xí)與工作。最后，可以通過實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)［1］和互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接，發(fā)掘海量數(shù)據(jù)的潛在價值。但是這幾個方面實現(xiàn)的基礎(chǔ)，是無線傳感網(wǎng)絡(luò)。在智能家居［3］、遠程抄表［4］、定位［5］等方面，無線傳感網(wǎng)技術(shù)衍生了一系列有價值的應(yīng)用。本文實現(xiàn)了校園無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，包括整個系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計、自定義組網(wǎng)運行和客戶端應(yīng)用。以嵌入式系統(tǒng)結(jié)合中心節(jié)點實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，從而實現(xiàn)對無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)處理顯示等，海量數(shù)據(jù)將存儲在服務(wù)器上以備數(shù)據(jù)挖掘之用。客戶端一方面在PC上實現(xiàn)，另一方面考慮到智能移動終端的普及，在iOS和Android系統(tǒng)下也進行了實現(xiàn)。

1 網(wǎng)絡(luò)組成

完整的網(wǎng)絡(luò)體系是實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)，包括終端節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)拓撲與協(xié)議，以及客戶端應(yīng)用。本文采用TI公司的CC2530作為傳感器終端和網(wǎng)關(guān)的無線通信模塊，其MAC層和物理層基于802.15.4標準，高層采用6LoWPAN協(xié)議棧。網(wǎng)關(guān)方面采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F107最小片上系統(tǒng)，配合功能齊全的外設(shè)以及CC2530，實現(xiàn)多方面的功能。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)及網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)示意圖

1.1 傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成

傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線收發(fā)模塊采用TI公司的CC2530芯片，其集成了 51單片機內(nèi)核，基本電路圖略——編者注。

在傳感器方面，需要考慮多種不同用途的配置，包括樓宇監(jiān)測傳感器、水環(huán)境監(jiān)測傳感器以及電器控制傳感器。本文使用6種傳感器節(jié)點：第一種為樓宇監(jiān)測傳感器節(jié)點，定時采集4種傳感信息，能對異常環(huán)境報警；第二種為電器控制傳感器節(jié)點，主要實現(xiàn)對室內(nèi)電器的智能遠程控制；剩余4種均為水環(huán)境監(jiān)測節(jié)點，分別在不同的水環(huán)境下使用。

1.1.1 樓宇監(jiān)測傳感器節(jié)點

樓宇監(jiān)測的傳感信息主要包括溫度、煙霧、濕度、噪聲。溫度傳感器選擇DS18B20，是Maxim公司的一款數(shù)字溫度傳感器，只需要一個端口即可通信。電路無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電，也可外接VCC。工作電壓為3.0～5.5 V，測量溫度范圍為-55～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃。

樓宇中首先要防范的是火災(zāi)，使用煙霧傳感器NIS-05A來監(jiān)測煙霧。這種傳感器是低放射型的標準傳感器，最大供電電壓為24 V。由于阻抗高，NIS-05A輸出電流很小，需采用輸入電流較小的運放，如LMC6042。

濕度傳感器選擇HS1101，該傳感器為變?nèi)菔较鄬穸葌鞲衅?，具有檢測速度快、精度高、可靠性強、穩(wěn)定性好和使用方便、體積小等特點，具有很好的線性輸出，且濕度輸出受溫度影響極小。

聲學(xué)測量要求傳聲器性能穩(wěn)定、動態(tài)范圍寬、頻響平直，故噪聲傳感器選用AWA14423，它是自由場型測試電容傳聲器，動態(tài)范圍為10～130 dB，頻率范圍為0～20 kHz，標稱靈敏度為50 mV/Pa。傳感數(shù)據(jù)全部為int類型，共16字節(jié)，此外傳感器類型1字節(jié)，傳感器ID 1字節(jié)，故有效載荷為18字節(jié)。

1.1.2 水環(huán)境監(jiān)測傳感器節(jié)點

為了實現(xiàn)對各種水資源進行分類監(jiān)測，將水資源分為景觀水、給水、再生水、污水，使用多種水傳感器對水質(zhì)進行監(jiān)測。再生水需要測量的數(shù)據(jù)包括水量、水壓、濁度、COD（化學(xué)需氧量）。景觀水包括水溫、溶解氧、葉綠素、COD。污水包括氨氮、濁度、PH、COD。給水需要測量的參數(shù)包括水量、水壓、水溫、余氯。數(shù)據(jù)為double類型，共32字節(jié)，再加上節(jié)點類型和傳感器ID，有效載荷為34字節(jié)。

1.1.3 電器控制的傳感器節(jié)點

除了能夠監(jiān)測環(huán)境信息，無線傳感器節(jié)點還可以對電器進行控制，主要針對樓宇內(nèi)辦公室、實驗室中的空調(diào)、照明燈、飲水機等設(shè)備。開關(guān)控制設(shè)備由繼電器和配電箱改造而成，繼電器是連接弱電和220 V市電的橋梁，通過單片機I/O口發(fā)出控制信令，實現(xiàn)弱電控制強電。

1.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計

對于任何無線網(wǎng)絡(luò)，一個穩(wěn)定、高性能的網(wǎng)關(guān)，是必不可少的，CC2530的外設(shè)難以滿足對數(shù)據(jù)處理、顯示以及各種擴展網(wǎng)關(guān)應(yīng)用的要求，而嵌入式設(shè)備具有便利靈活、性價比高、嵌入性強等特點。所以選擇合適的嵌入式設(shè)備與無線中心節(jié)點（CC2530）結(jié)合，可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的優(yōu)化設(shè)計。

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)選用Cortex-M3微處理器芯片為核心，搭建嵌入式平臺最小系統(tǒng)。外圍擴展電路包括 LCD觸摸屏、RJ45以太網(wǎng)接口、UART串口以及其他外設(shè)。其中，LCD觸摸屏為校園傳感信息的集中監(jiān)控和智能控制提供人機界面；RJ45以太網(wǎng)卡電路為將6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)接入Internet提供硬件支持（連接服務(wù)器）；UART串口用于協(xié)調(diào)器和嵌入式處理器通信，以及網(wǎng)關(guān)應(yīng)用功能的數(shù)據(jù)交互。STM32F107最小片上系統(tǒng)略——編者注。

1.3 網(wǎng)關(guān)功能

校園傳感網(wǎng)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計分為前臺和后臺兩部分。前臺功能即實現(xiàn)在LCD觸摸屏對本系統(tǒng)的集中監(jiān)控，包括查看多種傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息、檢測傳感器信息并在必要時報警、查看并控制家電的工作狀態(tài)。在Linux嵌入式操作系統(tǒng)下，按照Qt GUI開發(fā)應(yīng)用程序來實現(xiàn)以上功能。后臺功能主要是為來自 Internet客戶端的數(shù)據(jù)請求提供接口，本系統(tǒng)為客戶端遠程提供數(shù)據(jù)接口，如查看傳感信息、出現(xiàn)異常向客戶端報警，以及電器控制命令接口。本系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了基于C/S結(jié)構(gòu)的智能手機以及平板電腦客戶端應(yīng)用程序的訪問接口，還實現(xiàn)了B/S結(jié)構(gòu)的客戶端瀏覽器的訪問接口。

在程序設(shè)計中，使用3個類實現(xiàn)3種功能。Campus_ Sensors類用于傳感器參數(shù)的實時顯示，Campus_Control類用于家電的開關(guān)狀態(tài)顯示和控制，本系統(tǒng)可以支持4個電器設(shè)備，包括燈光、空調(diào)、攝像頭和電腦。此外，還可以將樓宇內(nèi)常見的RFID門禁系統(tǒng)加入進來，設(shè)計一個Lab_ RFID類負責(zé)管理門禁系統(tǒng)的人員信息。

2 數(shù)據(jù)格式與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

為了使整個無線傳感網(wǎng)系統(tǒng)有效可靠地通信，并且能夠保障各種應(yīng)用的時效性，本文設(shè)計了完善的通信格式和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

2.1 通信格式

2.1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信格式

傳感數(shù)據(jù)采集采用基于UDP和6LoWPAN/IPv6的傳輸層和路由層打包方案。802.15.4 MAC層留下81字節(jié)來傳輸IPv6報文分組，在沒有6LoWPAN適配層的情況下，在802.15.4上傳輸IPv6的效率會很低。因為從81字節(jié)中扣除IPv6基本報頭的40字節(jié)之后，僅剩下41個字節(jié)用來承載傳輸層的報文。在傳輸層使用UDP協(xié)議，還需要占用8個字節(jié)空間來存放UDP報頭，那么最后只剩下33字節(jié)用來傳輸真正的應(yīng)用層數(shù)據(jù)，有效載荷傳輸效率非常低，為此必須在適配層中提供對冗余報頭的壓縮算法。本文采用有效的包頭壓縮［6］來解決該問題，無線通信發(fā)送與接收的流程圖如圖2所示。

圖2 無線節(jié)點發(fā)送與接收流程圖

2.1.2 網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信格式

網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器的通信采用XML格式。XML把數(shù)據(jù)從HTML分離，能夠簡化數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)傳輸，有利于與客戶端通信。網(wǎng)關(guān)對不同傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)加以組織，加上節(jié)點類型、ID和接收時間，最終形成XML語言描述示例如下：

＜sensor＞

＜type＞0＜/type＞//傳感節(jié)點類型，0代表再生水監(jiān)測節(jié)點

＜id＞2＜/id＞//傳感節(jié)點ID

＜time＞2014-6-1 02：59＜/time＞//時間

＜data＞ //監(jiān)測數(shù)據(jù)

＜mount＞120.8＜/mount＞//水量

＜pressure＞1000＜/pressure＞//水壓

＜turbidity＞0.02＜/turbidity＞//濁度

＜COD＞0.01＜/COD＞//COD

＜/data＞

＜/sensor＞

其中，第一行為XML注釋信息，包含版本信息和編碼方式信息。根元素＜sensor＞包括＜type＞、＜id＞、＜time＞和＜data＞四個子元素，數(shù)據(jù)部分＜data＞包括＜mount＞、＜pressure＞、＜turbidity＞和＜COD＞四部分數(shù)據(jù)。采用XML編碼方式，編碼和解析比較方便，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可擴展性也很強，如果需要添加新的傳感節(jié)點或新類型的傳感節(jié)點，只需標明相關(guān)屬性。

2.2 運行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

2.2.1 問答式網(wǎng)絡(luò)運行設(shè)計

問答式網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用于室內(nèi)電器智能控制。在實際的組網(wǎng)與運行中，所有可能入網(wǎng)的設(shè)備均在中心節(jié)點有地址備份。所謂問答式組網(wǎng)，即是網(wǎng)絡(luò)通信全部由中心發(fā)起，通過單獨與某子設(shè)備通信，發(fā)送數(shù)據(jù)包或接收子設(shè)備的數(shù)據(jù)包。與設(shè)備通信是由網(wǎng)關(guān)的控制部分——嵌入式系統(tǒng)通過串口發(fā)送命令進行的。比如遠程訪問1號設(shè)備的信息，中心節(jié)點接收到命令后向1號設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，要求其發(fā)送傳感信息數(shù)據(jù)包，1號設(shè)備收到后向中心節(jié)點發(fā)送相應(yīng)數(shù)據(jù)包，中心節(jié)點接收到后此次通信結(jié)束，再等待串口發(fā)來的命令進行下一次通信。

在這種網(wǎng)絡(luò)運行方式中，同步并不是必須的，因為該網(wǎng)絡(luò)為星形結(jié)構(gòu)，所有通信過程都是由中心節(jié)點發(fā)起的?？梢栽O(shè)定中心節(jié)點發(fā)送兩種命令幀：一種用來向其他設(shè)備詢問數(shù)據(jù)，如傳感器測量信息等；另一種用來發(fā)送命令控制電器。

2.2.2 時隙分配式網(wǎng)絡(luò)運行設(shè)計

時隙分配式網(wǎng)絡(luò)適用于水環(huán)境傳感網(wǎng)和樓宇檢測傳感網(wǎng)。超幀結(jié)構(gòu)是IEEE 802.15.4標準的一大特色。中心節(jié)點廣播發(fā)起通信，在數(shù)據(jù)包有效載荷里，為每個子設(shè)備分配其占有的時隙。比如2號設(shè)備在接收數(shù)據(jù)包里讀取接收有效載荷數(shù)組的第2個數(shù)，就能知道在哪個時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。設(shè)定起始時隙由中心節(jié)點發(fā)送信標幀占據(jù)；剩余5個時隙由信標幀分配給其他設(shè)備。0號設(shè)備為中心節(jié)點，其余5個設(shè)備編號為1～5。圖3顯示的是時間軸上各設(shè)備占據(jù)信道的順序。

圖3 自定義超幀結(jié)構(gòu)

在這種情況下，可以根據(jù)實際情況設(shè)定超幀的時隙個數(shù)。在整個超幀結(jié)構(gòu)中，第一個時隙仍然是由中心節(jié)點發(fā)送信標幀占據(jù)，在信標幀后其他設(shè)備在自己的時隙中發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.2.3 簇狀網(wǎng)設(shè)計

在水質(zhì)傳感網(wǎng)中，由于節(jié)點布置距離可能較遠，單跳通信并不適用，因此采用簇狀網(wǎng)設(shè)計，如圖4所示。系統(tǒng)中每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)都是由一個中心（即協(xié)調(diào)器）發(fā)起建立的。

圖4 簇形網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)示意圖

建網(wǎng)過程為：首先由充當協(xié)調(diào)器的中心節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層請求MAC層對規(guī)定的信道，或由物理層默認的信道進行能量檢測掃描以測定干擾，掃描結(jié)果將按遞增順序排序，超過允許能量水平的新到編號被拋棄，剩余信道選取能量水平最低的作為建網(wǎng)信道，如多個信道滿足要求，則選擇邏輯編號最小的信道。

協(xié)調(diào)器建網(wǎng)后設(shè)定PAN ID，同時創(chuàng)建一個網(wǎng)絡(luò)鄰接表，為每個路由器分配一個16位地址，并將信息添加到該網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的添加就完成了。

當路由器下層的家居設(shè)備想加入該網(wǎng)絡(luò)時，將自身信息發(fā)送給路由器，再由路由器將此信息轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器根據(jù)不同路由器轉(zhuǎn)發(fā)來的信息進行分組，為每個設(shè)備分配一個16位的網(wǎng)內(nèi)地址，再將此設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)鄰接表中，標志終端設(shè)備被添加到此網(wǎng)絡(luò)中。這樣簇狀網(wǎng)建立，通信過程可以是分級輪詢或分級時隙分配。

另外，在樓宇傳感網(wǎng)中，由于節(jié)點布置距離較遠，且基本沿直線分布，因此需要改進簇狀網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。此時全部節(jié)點都要選擇使用全功能設(shè)備，即具備路由功能，采用AODV協(xié)議［7］作為路由協(xié)議，可有效實現(xiàn)多跳通信。

3 客戶端設(shè)計

客戶端硬件設(shè)計示意圖略——編者注。軟件分為PC端和移動客戶端兩部分，其中PC端通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器即可，這里不再贅述。

移動客戶端通過無線網(wǎng)絡(luò)，從 Web服務(wù)器獲取水質(zhì)監(jiān)控信息，包括用戶登錄、監(jiān)控數(shù)據(jù)獲取及用戶注銷3部分，其實現(xiàn)方式與監(jiān)控數(shù)據(jù)的獲取完全一致，即通過發(fā)送HTTP數(shù)據(jù)包，將請求內(nèi)容寫入數(shù)據(jù)包中，發(fā)送至服務(wù)器端進行實現(xiàn)。

這里，將模擬采集到的水質(zhì)監(jiān)控數(shù)據(jù)形成的XML數(shù)據(jù)文件放在服務(wù)器端，以供客戶端軟件通過網(wǎng)絡(luò)進行訪問。程序示意圖略——編者注。

3.1 Android系統(tǒng)開發(fā)

對于Android客戶端應(yīng)用程序，按需求將應(yīng)用功能分成傳感器監(jiān)測功能和與電器控制功能。SenActivity實現(xiàn)傳感器顯示界面，UI數(shù)據(jù)由后臺服務(wù) BuildingSenService提供；AppCtrlActivity是用戶與電器控制設(shè)備的交互界面，電器開關(guān)狀態(tài)的顯示數(shù)據(jù)也由后臺服務(wù) BuildingSenService提供。

3.2 iOS系統(tǒng)開發(fā)

對于iOS客戶端的實現(xiàn)，設(shè)定傳感器數(shù)據(jù)的請求以及對電器的控制在初始頁面 RootViewController類進行實現(xiàn)，即程序啟動時向網(wǎng)絡(luò)端發(fā)起數(shù)據(jù)請求。設(shè)計采用異步請求“sendAsyRequest：queue：completeHandler：”方法，對返回結(jié)果的處理寫在“connection：didReceiveData：”方法和“connection：didFailWithError：”方法中，分別對應(yīng)請求成功與請求失敗兩種情況。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種面向智慧校園和綠色校園的無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用?；?LoWPAN協(xié)議棧設(shè)計了合理的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，以服務(wù)器存儲和客戶端隨時接入充分發(fā)揮監(jiān)測作用，實現(xiàn)智能應(yīng)用。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

［1］孫其博，劉杰，黎羴，等.物聯(lián)網(wǎng)：概念、架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究綜述［J］.北京郵電大學(xué)學(xué)報，2010，33（3）：1-9.

［2］孫利民，李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［3］鄭影，崔連和，鄭曉東.ZigBee技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中應(yīng)用研究［J］.消費電子，2012（5）：11-12.

［4］張成武，譚斌.單片機Zigbee技術(shù)在遠程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.微計算機信息，2006，22（11-2）：96-98.

［5］張長森，董鵬永，徐景濤.基于ZigBee技術(shù)的礦井人員定位系統(tǒng)的設(shè)計［J］.工礦自動化，2008（2）：48-50.

［6］何朝陽.基于 6LoWPAN的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺研究與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011.

［7］Perkins，Charles E，Elizabeth M.Ad-hoc on-demand Distance Vector Routing［C］//Mobile Computing Systems and Applications，Second IEEE Workshop on.IEEE，1999.

Campus Wireless Sensor Network Based on 6LoWPAN and ARM※

Cui Bo，Zhou Yuan

（School of Electronic Information Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

To realize real-time multi-sensor data collection，campus monitoring and alarming for emergencies，we establish a wireless sensor network and keep it running in a self-defined way using CC2530 which is the product of TI.We have realized client software on PC and mobile operating systems such as iOS and Android，then the corresponding information can be seen at any time and also can remote control the electrical applicances.The solution is suitable for connecting campus with the Internet，and has broad application perspective.

wireless sensor network；embedded gateway；6LoWPAN；network protocol

TP39

A

薛士然

2014-11-10）

國家級-國家自然科學(xué)基金（61201179）。