朱廣華 華江峰 徐頔

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714126

摘要：本文基于MX231CC平臺和USBStick平臺，采用Contiki嵌入式操作系統(tǒng)，設計并實現(xiàn)了適用于目的環(huán)境實時監(jiān)測的支撐系統(tǒng)。敘述了系統(tǒng)的總體設計方案、軟硬件架構(gòu)以及異構(gòu)網(wǎng)絡間數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。從技術(shù)角度為需要實時周邊生產(chǎn)環(huán)境信息的產(chǎn)業(yè)提供生產(chǎn)管理決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Contiki；環(huán)境監(jiān)測；異構(gòu)網(wǎng)絡

無線傳感器網(wǎng)絡是一種新穎的信息獲取和處理方式，它集成無線通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)等。傳感器節(jié)點間可以合作地感知和采集各種監(jiān)測對象參數(shù)或環(huán)境的信息，并反饋給用戶。用戶可以依據(jù)反饋數(shù)據(jù)制定生產(chǎn)管理策略，從而提高生產(chǎn)率，并降低因生產(chǎn)環(huán)境驟變帶來的損失。

1 系統(tǒng)設計思想

筆者所設計的此環(huán)境監(jiān)測支撐系統(tǒng)，目的是能夠在任何地理位置實時監(jiān)測目的環(huán)境參數(shù)。整個系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)的概念設計，其中涉及到傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及無線通信技術(shù)等[1]。系統(tǒng)通過采用無線傳感器，完成實時感知周圍環(huán)境參數(shù)，這些數(shù)據(jù)通過無線傳輸方式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡方式傳送至服務端進行持久化。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)模型分析

在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面上可以將本系統(tǒng)分為三部分：應用層、傳輸層以及感知層[2]。應用層負責請求數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)持久化以及數(shù)據(jù)發(fā)布。傳輸層涉及到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，主要完成自組織多跳網(wǎng)絡初始化、異構(gòu)網(wǎng)絡的協(xié)議轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)傳輸。感知層涉及底層的無線傳感器節(jié)點，主要完成響應數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)采集。

2.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)設計

遠程環(huán)境監(jiān)測支撐系統(tǒng)包括基于Contiki的傳感器節(jié)點模塊、傳輸網(wǎng)關(guān)模塊、上層數(shù)據(jù)管理軟件。傳感器節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)按照IEEE802.15.4協(xié)議傳輸至網(wǎng)關(guān)模塊，網(wǎng)關(guān)解析出相關(guān)數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)發(fā)給上層支撐軟件，支撐軟件將數(shù)據(jù)持久化，進而為遠程的客戶端提供數(shù)據(jù)請求支持。

3 傳感網(wǎng)硬件

3.1 感知層節(jié)點

MX231CC是SmeshLink推出的面向Contiki和6LoWPAN開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，工作在2.4G頻段，采用序列擴頻技術(shù)，具有較好的抗干擾能力，MX231CC無線節(jié)點具備較大的RAM空間特性，能夠適合Contiki開發(fā)中較大規(guī)模組網(wǎng)的要求[3]。

MX231CC上運行的是Contiki操作系統(tǒng)，節(jié)點上電時，會啟動一個HTTP進程，使得節(jié)點上部署一個基于REST風格WEB服務器[4]。Contiki內(nèi)核通過輪詢機制和任務搶占機制完成對進程的調(diào)度。

3.2 傳輸層網(wǎng)關(guān)

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)關(guān)是USBStick，其基于Contiki系統(tǒng)，并集成RPL路由協(xié)議。USBStick用于連接節(jié)點與傳感網(wǎng)絡外部設備，使用的平臺是mxusbstick。網(wǎng)關(guān)節(jié)點與PC機在串口硬件上通過SLIP（Seerial Line Internet Protocol）協(xié)議傳輸IP數(shù)據(jù)報文[5]。網(wǎng)關(guān)模塊實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，具體到本系統(tǒng)是完成TCP/IP協(xié)議棧到6LoWPAN協(xié)議棧的轉(zhuǎn)換[6]。網(wǎng)關(guān)模塊與PC終端間的交互最終依據(jù)SLIP協(xié)議實現(xiàn)，此協(xié)議將網(wǎng)關(guān)模塊虛擬成一塊IPV6網(wǎng)卡，進而實現(xiàn)點對點通信，Contiki系統(tǒng)中通過tunslip6腳本實現(xiàn)SLIP協(xié)議功能。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

遠程環(huán)境監(jiān)測支撐系統(tǒng)適用于需要進行環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的產(chǎn)業(yè)中，且底層節(jié)點支持功能擴展，可以根據(jù)具體需求集成其它類型的傳感器。本次實驗在室內(nèi)完成，實驗結(jié)果表明，可以達到數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)持久化至數(shù)據(jù)庫的目的。

系統(tǒng)軟件實現(xiàn)：

支撐軟件主要用來通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點向傳感器節(jié)點定時發(fā)送HTTP請求，并解析HTTP響應中的XML格式數(shù)據(jù)，最后完成持久化數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。另外，完成節(jié)點信息的錄入和更新。

利用IE9瀏覽器訪問節(jié)點后返回的XML格式的數(shù)據(jù)如圖1所示，其中Light標簽表示實時光照強度，Temperature標簽表示實時攝氏溫度值，Voltage標簽表示傳感器節(jié)點實時電量。支撐軟件運行如下圖2所示。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)實現(xiàn)了對生產(chǎn)環(huán)境的實時遠程監(jiān)測提供數(shù)據(jù)支撐，為生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供了決策依據(jù)，從而使得生產(chǎn)管理更為科學化、規(guī)范化，進而提高生產(chǎn)率，降低因生產(chǎn)環(huán)境驟變帶來的損失。系統(tǒng)基于模塊化設計，因此可以根據(jù)需求在數(shù)據(jù)采集節(jié)點上搭載其他的傳感器設備，從而為監(jiān)測其它環(huán)境參數(shù)提供功能擴展的可能。不過，由于硬件平臺一般沒有統(tǒng)一的接口，那么如果需要進行功能擴展，勢必要進行二次開發(fā)。

參考文獻：

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