楊森,李月娥

(1.山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院,山西 太原 030031;2.山西大學(xué) 物理電子工程學(xué)院,山西 太原 030006)

0 引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息,并發(fā)送給觀察者[1]。WSN是由具有感知、計(jì)算及通信能力的一群微小節(jié)點(diǎn)組成,這些節(jié)點(diǎn)部署在要監(jiān)視的區(qū)域中,采集指定的環(huán)境參數(shù),如光照、溫度、濕度等,通過(guò)協(xié)作、自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò),并將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)供用戶分析[2]。

國(guó)內(nèi)外不少企業(yè)和學(xué)者開(kāi)始研究各種不同類型的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)。文獻(xiàn)[3]提出了基于LPC2478的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[4]提出了基于藍(lán)牙 4.0 與 3G的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān),使用基于ARM Cortex-A8的S5PV210作為主處理器,使CC2540藍(lán)牙模塊與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)相連接,控制3G模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。文獻(xiàn)[5]提出了基于STM32的嵌入式智能家居無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。

為了解決無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)協(xié)議不兼容問(wèn)題,基于ZigBee與WIFI技術(shù)[6-11],設(shè)計(jì)了一款無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān),有效地解決了異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息控制的問(wèn)題;同時(shí)通過(guò)Web管理、手機(jī)管理,使智能系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理更加便捷、多樣化。

1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)關(guān)功能需求

網(wǎng)關(guān)以MSP微處理器為控制核心對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行信息采集、交互控制,將網(wǎng)關(guān)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)中,智能化、自組網(wǎng)[12]、交互強(qiáng)、功耗低,能有效提高家居設(shè)備通信能力,提升家庭生活智能化水平。結(jié)合家居的智能化實(shí)際需求,確定網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)如下基本功能。

(1)對(duì)智能系統(tǒng)進(jìn)行集中綜合控制,實(shí)現(xiàn)家庭終端設(shè)備的信息采集、數(shù)據(jù)處理、交互控制等。

(2)具備網(wǎng)絡(luò)接入能力,能夠?qū)崟r(shí)獲取家庭終端設(shè)備的屬性、狀態(tài)等數(shù)據(jù),遠(yuǎn)程控制終端設(shè)備、監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)和家居環(huán)境等。

1.2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

本網(wǎng)關(guān)主要由MSP430微處理器主控模塊、ZigBee模塊、WIFI模塊、多路復(fù)用模塊、擴(kuò)展模塊、電源模塊等構(gòu)成,硬件結(jié)構(gòu)和電路仿真如圖1、2所示。

(1)MSP430微處理器主控模塊:接收Z(yǔ)igBee模塊傳輸過(guò)來(lái)的各種家居設(shè)備信息,向家居設(shè)備、服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收、信息處理、交互控制、無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能。

(2)ZigBee模塊:通過(guò)ZigBee模塊與家居設(shè)備進(jìn)行自組網(wǎng),采集家居設(shè)備各類數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)發(fā)給MSP430微處理器。

(3)WIFI模塊:負(fù)責(zé)將無(wú)線信號(hào)轉(zhuǎn)換成TTL信號(hào)供MSP430微處理器使用,與路由器進(jìn)行尋址信息交換。

(4)多路復(fù)用模塊:對(duì)MSP430微處理器的UART串口進(jìn)行擴(kuò)展,實(shí)現(xiàn)MSP430微處理器與ZigBee模塊、WIFI模塊、擴(kuò)展模塊的多串口通信。

Fig.1 Block diagram of Gateway hardware structure圖1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件設(shè)計(jì)中MSP430微處理器通過(guò)多路選擇器CD4052芯片進(jìn)行串口復(fù)用,采用外部中斷的方式進(jìn)行多路選擇[15],實(shí)現(xiàn)與WIFI、ZigBee、外圍擴(kuò)展設(shè)備的相互通信,實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部不同家居設(shè)備的互聯(lián)互通及信息采集;微處理器將采集到的信息通過(guò)WIFI模塊連接無(wú)線路由器傳輸給應(yīng)用服務(wù)器,使用戶可以交互控制家庭中的各種智能家電設(shè)備,提供智能化服務(wù)。

Fig.2 Gateway hardware emulation diagram圖2 網(wǎng)關(guān)硬件仿真圖

2 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的部分硬件

2.1 MSP430微處理器

Fig.3 MSP430 Main control Module圖3 MSP430主控模塊

微處理器模塊是無(wú)線網(wǎng)關(guān)的核心部分,主要實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備數(shù)據(jù)接收、信息處理、交互控制、無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換等功能[16]。一是控制、接收、處理從ZigBee模塊傳輸過(guò)來(lái)的各種智能終端信息;二是控制WIFI模塊與Internet網(wǎng)絡(luò)的相互通信。為了確保系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定性,選用數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大的德州儀器MSP430F149微處理器為主控模塊,如圖3所示。MSP430F149微處理器為16位超低功耗微控制器,具有60 kB閃存,2 KB RAM,12位ADC,2個(gè)USART等接口資源,可以滿足網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)需求。

1）二十世紀(jì)六十年代末，S.P.Corder（1981:10-11）最早在英語(yǔ)教學(xué)和應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)領(lǐng)域中提出錯(cuò)誤在語(yǔ)言學(xué)習(xí)當(dāng)中的重要性，與此同時(shí)，他還認(rèn)為認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)者的錯(cuò)誤有重要的意義：一是錯(cuò)誤可以讓老師知道學(xué)生取得的進(jìn)步與教學(xué)的距離，以及要實(shí)現(xiàn)這些教學(xué)目標(biāo)還需要的努力；二是錯(cuò)誤能夠使得學(xué)生了解他們的不足之處和犯錯(cuò)誤的原因，從而調(diào)整自己的學(xué)習(xí)策略；三是錯(cuò)誤可以被當(dāng)作是學(xué)習(xí)者為了提高學(xué)習(xí)的一種工具。錯(cuò)誤分析的理論基礎(chǔ)是中介語(yǔ)理論，這個(gè)理論在語(yǔ)音、詞匯、語(yǔ)法、語(yǔ)義、語(yǔ)用等方面有獨(dú)特的分析理論，人們既重視語(yǔ)際干擾導(dǎo)致錯(cuò)誤地產(chǎn)生，又注意到語(yǔ)內(nèi)干擾這一重要的因素（劉志偉）。

設(shè)計(jì)中采用串口復(fù)用方式實(shí)現(xiàn)多路通信選擇。MSP430微處理器通過(guò)端口A和B進(jìn)行多路選擇,如圖2網(wǎng)關(guān)硬件仿真所示。當(dāng)A和B都為低電平時(shí),WIFI模塊選通;當(dāng)A為高電平,B為低電平時(shí),擴(kuò)展模塊選通;當(dāng)A為低電平,B為高電平時(shí),ZigBee模塊選通。MSP430主控模塊串口復(fù)用方式如表1所示。

表1 MSP430微處理器串口復(fù)用

2.2 ZigBee模塊

Fig.4 ZigBee Module 圖4 ZigBee模塊

為了滿足智能家居系統(tǒng)中的Zigbee不同節(jié)點(diǎn)之間、Zigbee節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間的相互通信,選用短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與控制協(xié)議ZigBee協(xié)議[10]。Zigbee節(jié)點(diǎn)與Zigbee協(xié)調(diào)器都采用TI公司推出的兼容ZigBee2007協(xié)議的SoC芯片CC2530,如圖4所示。該芯片可以用于2.4 GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE,能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn);同時(shí)具有高抗干擾能力和低誤碼率,傳輸速率高達(dá)250 kbps,可靠傳輸距離可達(dá)100 m,支持自動(dòng)組網(wǎng);可以滿足無(wú)線網(wǎng)關(guān)中ZigBee模塊的要求。

結(jié)合家庭客廳、臥室、廚房等不同應(yīng)用場(chǎng)景的家居設(shè)備,根據(jù)ZigBee通信協(xié)議,自定義網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的ZigBee數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),通過(guò)網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)與ZigBee家居設(shè)備的通信。

(1)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)對(duì)ZigBee家居設(shè)備的控制,主要是通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的[10]。根據(jù)智能家居的應(yīng)用場(chǎng)景、設(shè)備及其狀態(tài)和模式,結(jié)合ZigBee通信協(xié)議,自定義ZigBee數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),包括包頭、源端口號(hào)、目的端口號(hào)、遠(yuǎn)程地址、數(shù)據(jù)、包尾,如表2所示。

表2 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

其中包頭標(biāo)識(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的開(kāi)始,源端口號(hào)為網(wǎng)關(guān)的ZigBee地址,目的端口號(hào)為ZigBee家居設(shè)備地址,遠(yuǎn)程地址為應(yīng)用場(chǎng)景地址(如客廳、臥室、廚房等),數(shù)據(jù)為網(wǎng)關(guān)與ZigBee家居設(shè)備之間傳輸?shù)目刂浦噶?包尾標(biāo)識(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。

如下為客廳電扇數(shù)據(jù)幀。

FE 05 91 90 03 00 50 FF;∥03 00代表客廳FE 05 91 90 03 00 51 FF;∥50代表電扇開(kāi);51代表電扇關(guān)在電扇打開(kāi)后,再發(fā)送電扇檔位控制數(shù)據(jù)幀:FE 05 91 90 03 00 52 FF;∥52代表電扇低檔;FE 05 91 90 03 00 53 FF;∥53代表電扇高檔。

ZigBee將以上家電設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430主控模塊,MSP430主控模塊將這些信息打包,通過(guò)UART串口發(fā)給WIFI模塊,進(jìn)而發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行交互控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)電扇的開(kāi)關(guān)、檔位等遠(yuǎn)程控制。

(2)應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

服務(wù)器對(duì)ZigBee家居設(shè)備的控制,是通過(guò)給網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)幀,網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析后實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)家庭客廳、臥室、廚房等不同應(yīng)用場(chǎng)景的家居設(shè)備及其狀態(tài)和模式,結(jié)合TCP/IP通信協(xié)議,自定義應(yīng)用層的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu),包括應(yīng)用場(chǎng)景、家居設(shè)備狀態(tài)、家居設(shè)備模式,如表3所示。

表3 應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

Fig.5 WIFI module圖5 WIFI模塊

2.3 WIFI模塊

(1)Y代表應(yīng)用場(chǎng)景,如可用k*表示客廳場(chǎng)景、w*表示臥室場(chǎng)景、c*表示廚房場(chǎng)景等;

(2)X代表應(yīng)用場(chǎng)景中的設(shè)備號(hào),如燈(d)、風(fēng)扇(f)、電視(ds)、窗簾(c);M用來(lái)表示設(shè)備的狀態(tài),1代表開(kāi),0代表關(guān)。如:f-statue1*代表風(fēng)扇處于打開(kāi)狀態(tài);f-statue0*代表風(fēng)扇處于關(guān)閉狀態(tài);

(3)N用來(lái)表示設(shè)備的模式,如風(fēng)扇有高(f-model 1*)、中(f-model 2*)、低(f-model 3*)三個(gè)檔位。

WIFI模塊采用集成ESP8266MOD射頻芯片,如圖5所示。該模塊支持802.11B/G/N,載波頻率為2.4 GHz,通信距離可達(dá)100 m,支持多種串行通信協(xié)議的USART,支持IPV4、TCP/UDP/HTTP/FTP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過(guò)WIFI模塊,可輕松實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng),智能監(jiān)控設(shè)備。MSP430微處理器通過(guò)USART接口與WIFI模塊連接,微處理器處理信息后將信息傳送出去,通過(guò)WIFI模塊與互聯(lián)網(wǎng)相連,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及遠(yuǎn)程控制功能。WIFI模塊的硬件電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

Fig.6 Circuit design of WIFI module圖6 WIFI模塊電路設(shè)計(jì)

Fig.7 System flowchart圖7 系統(tǒng)流程圖

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)用戶進(jìn)入家居環(huán)境時(shí),如需打開(kāi)或控制燈、電視、空調(diào)等設(shè)備的開(kāi)關(guān)及狀態(tài),通過(guò)手機(jī)、平板端的服務(wù)器發(fā)送控制請(qǐng)求指令;請(qǐng)求指令通過(guò)WIFI模塊發(fā)送到MSP430微處理器;微處理器解析http協(xié)議的響應(yīng)頭得到數(shù)據(jù)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換,將其封裝成相應(yīng)的ZigBee數(shù)據(jù)幀,轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee模塊;ZigBee模塊發(fā)送控制指令到相應(yīng)家居設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的交互控制。系統(tǒng)流程如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)物如圖8所示,主要由四部分構(gòu)成:基于MSP430微處理器,具備多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)功能的ZigBee模塊,支持TCP/IP協(xié)議可與路由器信息交換功能的WIFI模塊、UART串口擴(kuò)展多路復(fù)用模塊。為了測(cè)試網(wǎng)關(guān)的整體性能,搭建了三個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自組網(wǎng),通過(guò)發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)包,檢驗(yàn)網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)的誤包率、丟包率、時(shí)延、功耗等性能[17]。

4.1 誤包率和丟包率測(cè)試

通過(guò)連續(xù)循環(huán)向ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送100個(gè)數(shù)據(jù)包,統(tǒng)計(jì)接收、丟失數(shù)據(jù)包的數(shù)量;同時(shí)改變傳輸數(shù)據(jù)的距離,測(cè)試網(wǎng)關(guān)接收、發(fā)送數(shù)據(jù)的性能,測(cè)試結(jié)果如表4所示。

可以看出,網(wǎng)關(guān)基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),測(cè)試效果良好。盡管隨著數(shù)據(jù)傳輸距離的增大,網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)包的丟失率和誤包率出現(xiàn)增大,但是完全可以滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景需求。

表4 丟包率和誤包率統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4.2 網(wǎng)關(guān)時(shí)延

為了測(cè)試網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理能力,采用不同的串口波特率,發(fā)送不同的數(shù)據(jù)包進(jìn)行測(cè)試[18]。實(shí)驗(yàn)中,對(duì)于網(wǎng)關(guān)平均延時(shí)的計(jì)算,主要采用提取5次測(cè)試數(shù)據(jù)取平均值的計(jì)算辦法,其中以網(wǎng)關(guān)每次接收200個(gè)數(shù)據(jù)包采樣一次延時(shí),結(jié)果如表5所示。

表5 網(wǎng)關(guān)時(shí)延

可以看出,綜合包長(zhǎng)度和波特率進(jìn)行整體測(cè)試,網(wǎng)關(guān)時(shí)延都較小,平均值約為 7.97 ms,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)上限 100 ms,說(shuō)明網(wǎng)關(guān)處理數(shù)據(jù)的能力非常及時(shí)。

4.3 網(wǎng)關(guān)功耗

測(cè)試時(shí)依次給ZigBee、WIFI模塊提供了3 V的供電電壓,測(cè)量網(wǎng)關(guān)處于休眠狀態(tài)和正常發(fā)送數(shù)據(jù)下的網(wǎng)關(guān)功耗情況,測(cè)量結(jié)果如表6所示。可以看出,處于休眠狀態(tài)的網(wǎng)關(guān)功耗最低;正常狀態(tài)下,WIFI模塊功耗較大。

表6 網(wǎng)關(guān)功耗

5 結(jié)論

無(wú)線傳感網(wǎng)關(guān)為智能家居終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)提供了支持,承擔(dān)未來(lái)智能家庭的需求[19]。文中設(shè)計(jì)了一種融合ZigBee與WIFI技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān),具備收發(fā)WIFI和ZigBee信號(hào)的功能,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收、信息處理、交互控制、無(wú)線協(xié)議轉(zhuǎn)換等;同時(shí)實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)+外網(wǎng)雙重網(wǎng)絡(luò)工作方式,在沒(méi)有外網(wǎng)的情況下,局域網(wǎng)仍可繼續(xù)正常工作。今后將加強(qiáng)網(wǎng)關(guān)外圍設(shè)備的研究,增加語(yǔ)音控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的語(yǔ)音控制等功能,應(yīng)用于智能家居領(lǐng)域。