王子卿 陳志聰 丁嫣然

【摘要】 我國(guó)是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國(guó)，建立“水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”是提高養(yǎng)殖質(zhì)量和效益的重要手段。本文提出了一種適于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分析了其核心—異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，設(shè)計(jì)了通信幀的結(jié)構(gòu)和格式。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 異構(gòu)網(wǎng)關(guān) 嵌入式系統(tǒng) 水產(chǎn)養(yǎng)殖 Wi-Fi

Heterogeneous Network Gateway Applied to Aquaculture Environment Monitoring System

WANG Ziqing 1， CHEN Zhicong 2， DING Yanran 31. College of Telecommunications & Information Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210003， China2. School of Computer Science and Technology & School of Software， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210046， China3. College of Electronic Science and

Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China

Abstract：Nowadays， the aquaculture industry has developed rapidly in China. Building an environment monitoring system for aquaculture is an essential method to improve its quality and profit. This paper applies a wireless heterogeneous network architecture to aquaculture environment，and then analyses the key design of the heterogeneous network gateway. According to this， the paper also devises the structure and format of the communication frame.

Keywords：loT，wireless sensor network，heterogeneous network gateway，embedded system，aquaculture，Wi-Fi

一、引言

水產(chǎn)養(yǎng)殖過程中對(duì)養(yǎng)殖所需的溫度、溶解氧、pH 等環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制是很重要的，傳統(tǒng)手段大多依靠人工完成，難以滿足準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性要求。因此，有必要建立養(yǎng)殖水域環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)增加養(yǎng)殖密度、節(jié)約能源、降低成本、精準(zhǔn)管理等目的。

物聯(lián)網(wǎng)是繼PC、互聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線通信技術(shù)之后第四次信息技術(shù)革命， 有重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。依靠物聯(lián)網(wǎng)能夠更好地管理生產(chǎn)和生活，提高資源利用率和生產(chǎn)力水平。

傳感網(wǎng)可以看作是物聯(lián)網(wǎng)的末端延伸網(wǎng)之一，協(xié)作地實(shí)時(shí)采集和處理物理世界的大量信息， 實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的功能[1]。

采用無(wú)線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)不使用傳統(tǒng)的電纜線來(lái)進(jìn)行連接。它的優(yōu)勢(shì)是：

靈活性高，不受敷設(shè)電纜線的限制。

機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，易于擴(kuò)容。

經(jīng)濟(jì)性好，維護(hù)費(fèi)用少。

二、設(shè)計(jì)方案

2.1 功能需求

水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能：

自動(dòng)采集養(yǎng)殖水域的溶解氧、水溫、增氧水泵工作狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

接收有關(guān)人員指示，對(duì)增氧水泵等對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

在無(wú)人值守的情況下，可自動(dòng)對(duì)增氧水泵等對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

在“監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”出現(xiàn)故障無(wú)法正常工作時(shí)，及時(shí)有效通知有關(guān)人員處理。

由于單個(gè)養(yǎng)殖水域的面積不會(huì)太大，采集環(huán)境參數(shù)的傳感器與控制器集中在一個(gè)不大的范圍內(nèi)。同時(shí)由于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的變化是一個(gè)慢過程，對(duì)采集速率要求不高。但由于水中傳感器與控制器供電困難，要求采集網(wǎng)低功耗是十分重要的。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)有一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)和一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)，兩個(gè)無(wú)線網(wǎng)通過異構(gòu)網(wǎng)關(guān)連成一個(gè)整體，相互交換信息，其組成框圖如圖1所示 。

數(shù)據(jù)采集由傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成。傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感器測(cè)量的環(huán)境參數(shù)通過無(wú)線傳輸模塊發(fā)送出去，并接收匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的指令。匯聚節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)，并向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送有關(guān)指令。匯聚節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)關(guān)內(nèi)，是網(wǎng)關(guān)的組成部分之一。無(wú)線局域網(wǎng)通過各種用戶終端來(lái)共享數(shù)據(jù)信息，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行維護(hù)和管理。異構(gòu)網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心和關(guān)鍵所在，其OSI層次結(jié)構(gòu)自下而上保留了傳感器網(wǎng)和WiF網(wǎng)的物理層、鏈路層和應(yīng)用編程接口（API）結(jié)構(gòu)，兩個(gè)網(wǎng)遵守各自不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)在最上面的應(yīng)用層將它們關(guān)聯(lián)在一起。

三、硬件選型

3.1無(wú)線傳感網(wǎng)

選用Si1000無(wú)線通信模塊。Si1000模塊是美國(guó)Silicon Labs公司推出的一體化射頻芯片，在極精簡(jiǎn)的封裝中結(jié)合了8051內(nèi)核和工作頻段為240-960MHz高穿透力的EZRadioPRO RF收發(fā)器[2]，收發(fā)模塊通信距離可達(dá)1公里以上。此模塊的一大特點(diǎn)是十分節(jié)能，正常模式下（工作電壓為1.8～3.6V），Si1000 的省電架構(gòu)能將工作電流減小到160μA/MHz； 典型休眠模式下電流僅為315nA；對(duì)于深度休眠模式，可在低至25nA 的情況下正常運(yùn)行[3]。

3.2 通信模塊

通信模塊有多種選擇，如WIFI模塊、3G模塊或GPRS模塊，鑒于后兩種通信方式通過收費(fèi)公網(wǎng)，全天候使用不太適合。WIFI 是IEEE 定義的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（IEEE 802.11x），它采用擴(kuò)頻技術(shù)，工作在2.4GHz的ISM免執(zhí)照頻段，支持的速率最高可達(dá)300Mbps，覆蓋半徑可達(dá)300米[4]。由于WIFI模塊可以用現(xiàn)成的無(wú)線路由器代替，且可以通過ftp協(xié)議遠(yuǎn)程訪問網(wǎng)關(guān)上保存的數(shù)據(jù)和歷史記錄，節(jié)約成本的同時(shí)省去了開發(fā)服務(wù)器端程序與客戶端查詢程序的麻煩。

3.3 嵌入式異構(gòu)網(wǎng)關(guān)

選用ARM9處理器S3C6410，它是一個(gè)16/32位RISC微處理器，其功能強(qiáng)、功耗低，而且外圍擴(kuò)展了大量的通信接口和IO接口，為異構(gòu)網(wǎng)關(guān)將來(lái)的功能擴(kuò)充預(yù)留了豐富的資源。

四、軟件設(shè)計(jì)

4.1異構(gòu)網(wǎng)關(guān)部分

4.1.1數(shù)據(jù)流分析

網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù)信息的流向如下：

傳感器采樣和狀態(tài)數(shù)據(jù)， 由傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)。

增氧水泵狀態(tài)數(shù)據(jù)，由傳感器節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)。

增氧水泵控制數(shù)據(jù)，由網(wǎng)關(guān)到傳感器節(jié)點(diǎn)。

控制參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)（供一級(jí)自動(dòng)控制），由網(wǎng)關(guān)到傳感器節(jié)點(diǎn)。

實(shí)時(shí)廣播和查詢數(shù)據(jù)，由網(wǎng)關(guān)到Wi-Fi節(jié)點(diǎn)。

實(shí)時(shí)查詢請(qǐng)求，由Wi-Fi節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)。

控制參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)（供二級(jí)自動(dòng)控制），由Wi-Fi節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)。

增氧水泵控制數(shù)據(jù)，由Wi-Fi節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)關(guān)。

4.1.2任務(wù)分析

應(yīng)用層可歸納為四個(gè)單元任務(wù)，按執(zhí)行的優(yōu)先級(jí)不同依次是水泵控制（網(wǎng)關(guān)向采樣匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)水泵控制信號(hào)）、參數(shù)設(shè)置（網(wǎng)關(guān)讀取控制參數(shù)，并發(fā)給采樣匯聚節(jié)點(diǎn)）、采樣處理（網(wǎng)關(guān)讀取采樣數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)處理、顯示、廣播）、實(shí)時(shí)查詢（網(wǎng)關(guān)接收實(shí)時(shí)查詢請(qǐng)求，并發(fā)送查詢數(shù)據(jù)）。

4.1.3 運(yùn)行說(shuō)明

在S3C6410嵌入式開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用層功能。系統(tǒng)初始化后建立一個(gè)空的任務(wù)隊(duì)列，通過對(duì)輸入信號(hào)的中斷響應(yīng)形成有優(yōu)先等級(jí)的任務(wù)隊(duì)列，并依序執(zhí)行各單元任務(wù)。當(dāng)隊(duì)列空時(shí)，系統(tǒng)處于等待接收的休眠狀態(tài)。

4.1.4 開發(fā)步驟

移植Linux操作系統(tǒng)以及所需的驅(qū)動(dòng)。

設(shè)計(jì)串口通信程序，使得S3C6410和SI1000匯聚節(jié)點(diǎn)能夠進(jìn)行十六進(jìn)制串口通信，發(fā)送和接受符合規(guī)定的幀。

設(shè)計(jì)命令生成程序，使得S3C6410能夠根據(jù)指定的語(yǔ)法參數(shù)生成對(duì)應(yīng)的命令或控制幀，并將其通過串口傳遞給SI1000匯聚節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)命令控制。

實(shí)現(xiàn)幀解析程序，使得從匯聚節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)或是應(yīng)答幀能夠得到正確的解析，從中得到有用的數(shù)據(jù)，如含氧量或是增氧泵狀態(tài)等。

將各軟件模塊組合，讓接收模塊作為守護(hù)進(jìn)程運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接受任何突發(fā)事件或數(shù)據(jù)報(bào)告并進(jìn)行解析、保存日志文件。在需要發(fā)送指令的時(shí)候可以調(diào)用命令生成程序發(fā)送指定的命令幀。

連接無(wú)線路由器，測(cè)試ftp服務(wù)的運(yùn)行效果。

4.2無(wú)線傳感網(wǎng)部分

4.2.1 功能

傳感器網(wǎng)采用點(diǎn)—多點(diǎn)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)層的作用是：在網(wǎng)關(guān)中的匯聚節(jié)點(diǎn)依次輪詢傳感器節(jié)點(diǎn)，接收采樣數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點(diǎn)將采樣數(shù)據(jù)匯聚后統(tǒng)一傳給應(yīng)用層；匯聚節(jié)點(diǎn)接收應(yīng)用層來(lái)的控制數(shù)據(jù)并將其傳給相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)。

4.2.2 開發(fā)步驟

實(shí)現(xiàn)SI1000 Gateway與SI1000 Node之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的簡(jiǎn)單通信；實(shí)現(xiàn)SI1000 Gateway與SI1000 Node之間的十六進(jìn)制帶格式幀通信；實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)與SI1000 Gateway之間的串口通信，開發(fā)SI1000 Gateway串口通信功能，將其從串口接收的數(shù)據(jù)通過無(wú)線信道轉(zhuǎn)發(fā)（廣播），并能將無(wú)線信道上接收到的數(shù)據(jù)通過串口原樣反饋給網(wǎng)關(guān)，供其解析；實(shí)現(xiàn)SI1000 Node的幀解析功能，可以將SI1000 Gateway發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，判斷命令的對(duì)象是否和自己的節(jié)點(diǎn)號(hào)吻合并分析命令的內(nèi)容。根據(jù)命令執(zhí)行指定的操作（如報(bào)告當(dāng)前數(shù)據(jù)或打開關(guān)閉增氧泵）生成對(duì)應(yīng)的應(yīng)答幀回應(yīng)給SI1000 Gateway。

4.3 通信幀格式

4.3.1 SI1000 Gateway和SI1000 Node之間的通信幀格式

串口傳送的信息包括查詢及控制兩類，采用的幀格式都包含幀頭、幀長(zhǎng)度、幀類型、數(shù)據(jù)信息四個(gè)字段。各字段定義如下：

幀頭`，長(zhǎng)度為3字節(jié)，固定為FE0021。

幀長(zhǎng)度，長(zhǎng)度為2字節(jié)，為幀類型和數(shù)據(jù)信息的總長(zhǎng)度。

幀類型，長(zhǎng)度為1字節(jié)，0X00表示是查詢幀，0X01表示是控制幀。

數(shù)據(jù)信息，長(zhǎng)度為2字節(jié)，具體含義與幀類型有關(guān)。對(duì)查詢幀，第一字節(jié)為終端ID號(hào)（將要查詢的十六進(jìn)制終端ID），第二字節(jié)為查詢內(nèi)容（0x01表示查詢當(dāng)前增氧泵狀態(tài)，0x02表示要求指定節(jié)點(diǎn)匯報(bào)當(dāng)前含氧量傳感器數(shù)據(jù)）；對(duì)控制幀，第一字節(jié)為終端ID號(hào)（將要控制的十六進(jìn)制終端ID），第二字節(jié)為控制內(nèi)容（0x00表示關(guān)閉增氧泵，0x01表示打開增氧泵）。

4.3.2 Node回送SI1000 Gateway的應(yīng)答幀格式

應(yīng)答幀格式包含以下字段：

幀頭，3字節(jié)長(zhǎng)，固定為 FE 00 21。

幀長(zhǎng)度，1字節(jié)長(zhǎng)，幀類型和數(shù)據(jù)信息的總長(zhǎng)度。

幀類型，1字節(jié)長(zhǎng)，0x03表示應(yīng)答。

終端ID，1字節(jié)長(zhǎng)，應(yīng)答的十六進(jìn)制終端號(hào)。

應(yīng)答內(nèi)容，1字節(jié)長(zhǎng)，0x00表示增氧泵已經(jīng)按要求關(guān)閉，0x01表示增氧泵已經(jīng)按要求打開，0x03表示已經(jīng)按要求匯報(bào)當(dāng)前含氧量傳感器數(shù)據(jù)（具體值在采樣數(shù)據(jù)信息字段中），0x04表示增氧泵現(xiàn)在處于關(guān)閉狀態(tài)，0x05表示增氧泵現(xiàn)在處于開啟狀態(tài)。

采樣數(shù)據(jù)信息，1字節(jié)長(zhǎng)，承載當(dāng)前含氧量傳感器數(shù)據(jù)，0XFF表示此幀不攜帶數(shù)據(jù)。

五、結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過測(cè)試，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：養(yǎng)殖水域采樣數(shù)據(jù)（如含氧量）的查詢、傳輸、處理、匯總；對(duì)指定設(shè)備（如增氧泵）的狀態(tài)查詢；對(duì)養(yǎng)殖水域中增氧泵或其他設(shè)備的自動(dòng)控制；通過Wi-Fi 用戶對(duì)歷史數(shù)據(jù)文件的遠(yuǎn)程查詢。

異構(gòu)網(wǎng)關(guān)是多個(gè)遵守不同協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互連的主要手段，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)的關(guān)鍵所在。在技術(shù)上，網(wǎng)關(guān)沒有采用傳統(tǒng)的PC機(jī)固然使項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的難度增大，但卻使其更具有實(shí)用性，有更高的技術(shù)含量。無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的采用使得整個(gè)系統(tǒng)更加安全可靠、快速節(jié)能和易于部署。這里要感謝南京郵電大學(xué)的曾桂根副教授的關(guān)心和指導(dǎo)，感謝實(shí)驗(yàn)室曾工的大力幫助。文中有不當(dāng)之處望及時(shí)指教。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]朱洪波，楊龍祥，朱琦.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)展與應(yīng)用[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，01：1-9.

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