倪 林， 張義紅， 楊 義

(東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心， 上海 201620)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)是繼計(jì)算機(jī)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動(dòng)通信技術(shù)的又一次信息產(chǎn)業(yè)的重大發(fā)展。其產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，覆蓋面廣，應(yīng)用范圍幾乎涵蓋各行各業(yè)。物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合，必將促進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的革命性的轉(zhuǎn)變[1]。作為新型的戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)已受到各國政府的高度重視。

物聯(lián)網(wǎng)可以被認(rèn)為是利用“泛在網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)“泛在服務(wù)”[2], 是一種更加廣泛深遠(yuǎn)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用形態(tài)。泛在網(wǎng)是在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合和頻譜資源共享基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其中，泛在無線技術(shù)是物質(zhì)世界互動(dòng)的過程中實(shí)現(xiàn)末梢效應(yīng)和邊緣價(jià)值的核心技術(shù)，是促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵之一。而短距無線通信是其重要的應(yīng)用形態(tài)[3]。

由于無線通信技術(shù)迅速發(fā)展，短距無線通信呈現(xiàn)出異彩紛呈的景象。技術(shù)性能各異，傳輸特性不同，市場(chǎng)需求驅(qū)動(dòng)著新技術(shù)的不斷創(chuàng)新[4]。為了滿足社會(huì)發(fā)展的需求，為培養(yǎng)創(chuàng)新型應(yīng)用人才，我們結(jié)合我校研究生的移動(dòng)計(jì)算理論系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，以及本科生的課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，選擇主流的短距無線通信技術(shù)，開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的短距無線通信技術(shù)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，包括：WiFi/IEEE802.11，ZigBee/802.15.4，以及藍(lán)牙(Bluetooth)等基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)；以及基于物聯(lián)網(wǎng)的GSM，CDMA，GPS等與不同短距無線通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)融合的實(shí)驗(yàn)；結(jié)合實(shí)際案例開展短距無線通信組網(wǎng)的實(shí)驗(yàn)研究，以及基于嵌入式系統(tǒng)泛在無線通信技術(shù)的綜合開發(fā)。

1 短距無線通信的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)[5-6]

1.1 藍(lán)牙無線通信實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機(jī)1臺(tái)，串口線(公母)1條，USB電纜1根，網(wǎng)線1條，TTP6603 1塊，9 V電源。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

(1) 藍(lán)牙協(xié)議棧移植實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)選擇了 Linux 環(huán)境下廣泛使用的藍(lán)牙開源協(xié)議棧 BlueZ 。學(xué)生通過將 BlueZ 移植到嵌入式平臺(tái)的完整過程，理解藍(lán)牙協(xié)議的層次結(jié)構(gòu)、同步/異步鏈路的建立以及常用的藍(lán)牙 Profile ，為藍(lán)牙應(yīng)用功能的開發(fā)奠定基礎(chǔ)[7]。

(2) 藍(lán)牙無線數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)[8]。本實(shí)驗(yàn)通過軟件控制藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)墓δ堋Ｍㄟ^對(duì)軟件源代碼的剖析，使學(xué)生理解通過協(xié)議?？刂扑{(lán)牙設(shè)備的過程以及建立異步數(shù)據(jù)鏈路的方法，便于學(xué)生理解軟件協(xié)議棧與硬件設(shè)備之間的配合工作。

(3) 藍(lán)牙無線語音通信實(shí)驗(yàn)[9-10]。本實(shí)驗(yàn)通過軟件控制藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)語音無線通信功能。通過對(duì)軟件源代碼的剖析，使學(xué)生理解建立藍(lán)牙同步鏈路以及用同步鏈路傳輸語音的方法，作為藍(lán)牙電話網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

1.2 WiFi/IEEE802.11b/g無線通信實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機(jī)一臺(tái)，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，WLAN 11g USB 適配器 1個(gè)，9V電源1個(gè)，無線路由器1個(gè)。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)通過嵌入式主機(jī)上的 802.11b/g無線接入模塊，向100 m范圍內(nèi)的 WLAN 終端設(shè)備提供無線接入功能，并與WLAN終端進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，提供文件傳輸?shù)氖纠浖?/p>

1.3 ZigBee無線通信實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機(jī)一臺(tái)，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，ZigBee模塊 2個(gè)(1主、1從)，9 V電源1個(gè)，5 V電源2個(gè)。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

開發(fā)板：

輸入cd/mnt/SEMIT_ ProjectdZigBee進(jìn)入該文件夾。輸入./send就可以看到通過串口傳來的溫度信息了。

2 短距無線通信與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[11-13]

2.1 藍(lán)牙無線通信與GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)融合的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機(jī)一臺(tái)，串口線(公母)1條，USB 電纜1 根，網(wǎng)線1條，TTP6603 一塊，9 V電源。如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙與GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)融合

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

在開發(fā)板：輸入cd /mnt/S EM IT_ Project/Bluetooth_ Cellphone/Bluetooth_ Cellphone_ Server輸入./server。

在PC上輸入：cd /mnt/S EM IT_ Project/Bluetooth_ Cellphone/Bluetooth_ Cellphone_ Client

在PC端用USB電纜連接TTP6603

在PC端：輸入./Bluetooth_link。通過藍(lán)牙，按如上的操作界面提示進(jìn)行操作，就可以實(shí)現(xiàn)在 PC 端與GSM網(wǎng)絡(luò)通話了。

其中，嵌入式主機(jī)為藍(lán)牙電話網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙短距無線通信與GSM網(wǎng)絡(luò)的融合。

2.2 WiFi短距無線通信與廣域網(wǎng)的融合

實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖2所示。

在開發(fā)板：

輸入cd /mnt/SEMIT_Project/Multinet/802. 11

輸入./PC1_init。

在PC2端：輸入.PC2_init。

輸入ping 172.27.0.1和ping 192.168.0.56，如果ping的通，說明通過WiFi成功的實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)與廣域網(wǎng)的通信，以及PC機(jī)之間的互相通信。

2.3 WSN與廣域網(wǎng)的融合系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)[14]

實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

實(shí)驗(yàn)環(huán)境：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機(jī)1臺(tái)，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，ZigBee模塊 2個(gè)(1主、1從)，9 V電源1個(gè)，5 V電源2個(gè)。

軟件： RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

在開發(fā)板：輸入cd /mnt/SEMIT_Project/WSN/WSN_Client

在PC機(jī)：輸入cd /SEMIT_Project/WSN/WSN_Server

輸入./Server。

開發(fā)板輸入：./client 192.168.0.22(PC機(jī)IP)

在PC端就能看到開發(fā)板端通過網(wǎng)線傳過來的溫度信息了。

3 短距無線通信的綜合開發(fā)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究[15]

基于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的典型案例，我們利用Bluetooth、WiFi短距無線通信開發(fā)了完整的定位信息無線傳輸系統(tǒng)。如圖4所示。

圖4 典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

其中，嵌入式主機(jī)起到主控作用， GPS 模塊用于接收定位衛(wèi)星信號(hào)并進(jìn)行處理，向嵌入式主機(jī)提供定位和標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)信息。網(wǎng)關(guān)上的Bluetooth和802.1lb/g 模塊作為兩種可選的短距離無線通信方式，能夠?qū)⒍ㄎ恍畔⒁詿o線的形式傳送到其他設(shè)備，例如上圖 中帶有 Bluetooth和802.llb/g通信功能的手機(jī)或計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)驗(yàn)環(huán)境[16-17]：

硬件：Semit ARM9200開發(fā)板， PC機(jī)一臺(tái)，串口線(公母)1 條，網(wǎng)線1條，WLAN 11g USB 適配器 2個(gè)，GPS模塊1個(gè)，9 V電源2個(gè)，7.5 V電源1個(gè)，無線路由器1個(gè)。實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D見圖5。

軟件：RedHat 9. 0以上Linux操作系統(tǒng)。

圖5 實(shí)驗(yàn)拓?fù)鋱D

PC機(jī)：

輸入cd /SEM IT_Project/GPS_Wireless/GPS_Wireless_Server

輸入./pc_config。

在開發(fā)板：

輸入cd /mnt/SEMIT_Project/GPS_Wire1ess/GPSWire1ess_C1ient

輸入./ARM_config

輸入Ctrl+C即可停止程序運(yùn)行。

其中，GPRMC數(shù)據(jù)格式中，GPS的實(shí)用數(shù)據(jù)含義為：A=數(shù)據(jù)可用，N=北半球，E=東半球。

4 結(jié) 語

物聯(lián)網(wǎng)是利用“泛在網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)“泛在服務(wù)”，短距無線通信是推動(dòng)其發(fā)展的重要力量之一。本文從基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、以及與異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合、綜合開發(fā)等三方面對(duì)短距無線通信進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究。通過實(shí)驗(yàn)研究，使學(xué)生們對(duì)主流的短距無線通信不僅有較為深入的感性認(rèn)識(shí)，而且還要有較為系統(tǒng)的用知能力，最終目的是通過實(shí)驗(yàn)提高學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐水平。

[1] 董 鍵. 物聯(lián)網(wǎng)與短距無線通信技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012：1-10.

[2] 朱洪波. 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路與泛在無線通信技術(shù)研究[J].中興通信技術(shù)，2012(4):1-4.

ZHU Hong-bo. The Industrial Development of IoT and Ubiquitous Wireless Communications[J].Zhongxin Communication，2012(4):1-4.

[3] 張 平，苗 杰. 泛在網(wǎng)絡(luò)研究綜述[J].北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(10):1-5.

ZHANG Ping, MIAO Jie. A Survey of Ubiquitous Network[J]. Journal of Beijing University of Posts and Telecommunications，2012(10):1-5.

[4] 徐愛裝. 物聯(lián)網(wǎng)全球發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].移動(dòng)通信，2012(9):60-63.

XU Ai-zhuang. Iot Global Development Status and Trends[J]. Mobile Communication，2012(9):60-63.

[5] 孫 戈. 短距離無線通信及組網(wǎng)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012：17-224.

[6] ARM9嵌入式系統(tǒng)+無線通信開發(fā)平臺(tái)[M].南京：南京東大移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)有限公司，2008.7.

[7] 劉憶智. Linux從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：298-317.

[8] 陳忠盟. Red Hat Linux實(shí)用全解[M].北京：科學(xué)出版社，2009：67-96.

[9] 王博生. 深度探索Linux操作系統(tǒng)：系統(tǒng)構(gòu)建和原理解析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：10-57.

[10] 周立功. ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2008：52-81.

[11] Robert Love著，陳莉君等譯. Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：273-293.

[12] 韋東山. 嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：郵電大學(xué)出版社，2008：335-360.

[13] ARM9嵌入式系統(tǒng)+無線通信開發(fā)平臺(tái)[M].南京：南京東大移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)有限公司，2008.7：127-135.

[14] Jukka Suhonen,Mikko Kohvakka and etc.Low-Power Wireless Sensor Networks: Protocols, Services and Applications[M]. German:Springer-Verlag,2012: 71-76.

[15] ARM9嵌入式系統(tǒng)+無線通信開發(fā)平臺(tái)[M].南京：南京東大移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)有限公司，2008.7：136-138.

[16] 孫 戈. 短距離無線通信及組網(wǎng)技術(shù)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012：17-81.

[17] NICK HUNN. Essentials of Short Range Wireless Standards[M].UK：Cambridge University Press，2012:208-238.