唐莉莉

摘要：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整合。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)由傳感器網(wǎng)絡(luò)和公共傳輸網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。對于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，目前研究的熱點問題是傳感器網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)如何接入公共網(wǎng)絡(luò)。本文著重研究的是以嵌入式技術(shù)為應(yīng)用平臺，利用Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)良好性能與優(yōu)勢并借助傳統(tǒng)的Internet基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)設(shè)計的一個在室內(nèi)環(huán)境下實現(xiàn)溫度監(jiān)測的智能網(wǎng)關(guān)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng)

本文研究設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要通過串口處理來自WSN節(jié)點的數(shù)據(jù)，這就決定了實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件平臺必須可以提供足夠強大的網(wǎng)絡(luò)支持，而且還需要支持TCP/IP協(xié)議。

一、網(wǎng)關(guān)設(shè)計基本要求

網(wǎng)關(guān)是廣域網(wǎng)和外部網(wǎng)絡(luò)中間的一個節(jié)點，作為入口節(jié)點的它，一方面，要能接受允許客戶的遠程訪問，即要支持TCP/IP協(xié)議議并能提供WEB服務(wù)。另一方面，從用戶體驗角度來看，用戶要能通過遠端PC對整個網(wǎng)絡(luò)進行控制。在本文網(wǎng)關(guān)設(shè)計中，硬件平臺是ARM微處理器，它對外就是把以太網(wǎng)接入公共網(wǎng)絡(luò)，對內(nèi)就是把無線傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)連成一體。通俗的說就是網(wǎng)關(guān)不僅要具有他本身應(yīng)有的功能，還應(yīng)具有服務(wù)器的功能。

二、網(wǎng)關(guān)軟件總體構(gòu)架

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)處于物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中的匯聚層，其兩端連接的分別是傳感網(wǎng)絡(luò)和公共傳輸網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計中，采用RS-232/485與Wi-Fi接入的方式實現(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)的通信，公共網(wǎng)絡(luò)端采用的是基于以太網(wǎng)接入的方式。

ZigBee內(nèi)部連通就是一個星形拓撲結(jié)構(gòu)，這個拓撲結(jié)構(gòu)由一個負責(zé)分配ID和地址、并對其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳送的信息進行數(shù)據(jù)封裝的協(xié)調(diào)器（PAN）構(gòu)成，其他節(jié)點也只能通過這個協(xié)調(diào)器來和外部網(wǎng)絡(luò)進行信息交換。ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的通信主要是通過串口，當(dāng)協(xié)調(diào)器收到來自鏈路節(jié)點的數(shù)據(jù)時，就把信息傳送到應(yīng)用層，應(yīng)用層再調(diào)用串口API傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)主要就是根據(jù)內(nèi)部協(xié)議轉(zhuǎn)換機制把該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成可以接受的數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)關(guān)到互聯(lián)網(wǎng)通信機制是雙向的，所以完成其中一步的通信即可。它們的通信用串口就可以實現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)封裝后，根據(jù)ZigBee的短地址（MAC地址與物理地址）發(fā)送出去。

三、網(wǎng)關(guān)硬件總體構(gòu)架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由許多在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)分布的大量廉價微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，它使用傳感器協(xié)作地監(jiān)控不同位置的物理或環(huán)境狀況并進行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理，最終將其報告給用戶。

對于WSN的應(yīng)用來說，綜合考慮實現(xiàn)時軟硬件的各個方面，通信協(xié)議的選取就顯得尤為重要。WSN通信協(xié)議特點如下：

1、節(jié)點的通信協(xié)議要求簡單。避免受到如傳感器節(jié)點的能源儲備、計算與處理能力、存儲量、通信能力等限制。

2、通信協(xié)議應(yīng)具有對應(yīng)的處理體系。防止拓撲結(jié)構(gòu)隨著外界環(huán)境變化而變化。

3、采用模塊化設(shè)計。為了使傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議針對不同的應(yīng)用有不同的配置。

目前，在WSN的應(yīng)用中，ZigBee技術(shù)應(yīng)用最為廣泛。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定，它主要優(yōu)勢是低速、低耗電、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓撲、低復(fù)雜度、快速、可靠、安全。

ZigBee協(xié)議棧由層模塊組成。每一層都執(zhí)行一組特定的服務(wù)：如數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸，管理實體提供所有其他的服務(wù)。

每個SAP都能支持多種服務(wù)原語來實現(xiàn)要求的功能，而這個SAP則是由上一層提供的接口。

四、核心技術(shù)

核心支撐技術(shù)就是建立在通信協(xié)議的基礎(chǔ)之上的一個具有具體應(yīng)用環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并且通過操作協(xié)議的應(yīng)用層服務(wù)接口來封裝對底層的操作。WSN的核心支撐技術(shù)如下：

（1）拓撲控制。路由協(xié)議的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)時間受其影響比較大。為了有效的減少通信間的通信干擾，必須選擇符合要求的拓撲結(jié)構(gòu)與功率。

（2）節(jié)點定位。原理是根據(jù)一定的算法在已知節(jié)點基礎(chǔ)上定位未知節(jié)點。節(jié)點定位在有些場合是比較重要的，如森林火災(zāi)。

（3）時間同步。節(jié)點間時間的必須是同步的，因為WSN中是分布式協(xié)同工作。

（4）數(shù)據(jù)管理與融合。為更好地管理傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，需要將用戶屏蔽在技術(shù)之外且能夠友好地控制WSN，使物理網(wǎng)絡(luò)邏輯化。

五、嵌入式系統(tǒng)

目前，應(yīng)用最廣泛的專用電子系統(tǒng)非嵌入式系統(tǒng)莫屬。隨著應(yīng)用范圍的擴展與延伸，對技術(shù)廣度和深度的要求也越來越苛刻，主要體現(xiàn)在智能控制的應(yīng)用與處理信息的能力，以及對設(shè)備的成本的高低、性能好壞、開發(fā)周期長短和可靠性高低等的關(guān)注。

1、嵌入式處理器

在功能上，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)既要作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制中心，又要實現(xiàn)一個嵌入式WEB服務(wù)器，即既要滿足到遠程控制的需要，又要考慮到室內(nèi)近程控制的便捷性。故硬件電路中應(yīng)包含以下的功能電路：能實現(xiàn)通信、控制和管理，能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接，能執(zhí)行射頻模塊的無線收發(fā)信息，能實現(xiàn)近程控制的基本輸入輸出。

嵌入式處理器核心是嵌入式系統(tǒng)，縱觀整個嵌入式處理器應(yīng)用市場，單片機的成功案例雖然尤為顯著，而單純的單片機或微控制器技術(shù)顯然已經(jīng)無法滿足需求。而ARM芯片憑借處理能力強和功耗低等優(yōu)勢一舉搶占市場先機，并逐步滲透到我們生活的各個領(lǐng)域?；贏RM芯片的優(yōu)勢考慮，本設(shè)計選取了Cortex-A8系列中的互聯(lián)型產(chǎn)品S5PV210作為總控制芯片。因為它的片內(nèi)外設(shè)非常豐富，大可不必再對存儲器再擴展，從而開發(fā)成本也減少了，開發(fā)難度也降低了。

2、嵌入式 TCP/IP

在Internet上所使用的TCP/IP協(xié)議是一個分層設(shè)計的協(xié)議集合，每一層有每一層的功能。在嵌入式系統(tǒng)中的TCP/IP具有其顯著的特點：

（1）存儲使用量減少。為了不影響到系統(tǒng)性能和成本，在實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)該想盡辦法減少存儲空間的使用量。

（2）高度可裁剪性。為滿足不同應(yīng)用的需求，在協(xié)議棧的實現(xiàn)必須高度模塊化，以方便更好地實現(xiàn)對目標系統(tǒng)的可栽剪。通?？刹眉舫潭韧a實現(xiàn)的模塊化程度成正比。

（3）可移植性強。嵌入式系統(tǒng)硬件平臺雖然很多，但我們平時在設(shè)計時應(yīng)注意在實現(xiàn)的過程中應(yīng)避免語言的不協(xié)調(diào)性。同時為了提高代碼的復(fù)用率，在硬件驅(qū)動層我們必須進行高精度的抽象和封裝，使協(xié)議獨立于平臺。

綜上所述，本文對物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)與它在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的功能作了深入分析，根據(jù)需求設(shè)計出系統(tǒng)總體方案，并分析了實現(xiàn)該設(shè)計系統(tǒng)所需要的核心技術(shù)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)。