適用于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)

王子卿 陳志聰 丁嫣然

【摘要】 我國是水產(chǎn)養(yǎng)殖大國，建立“水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境監(jiān)測系統(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)計要點，設(shè)計了通信幀的結(jié)構(gòu)和格式。

【關(guān)鍵詞】 物聯(lián)網(wǎng) 無線傳感器網(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)殖過程中對養(yǎng)殖所需的溫度、溶解氧、pH 等環(huán)境因素進(jìn)行監(jiān)測與控制是很重要的，傳統(tǒng)手段大多依靠人工完成，難以滿足準(zhǔn)確性和實時性要求。因此，有必要建立養(yǎng)殖水域環(huán)境自動監(jiān)測系統(tǒng)以實現(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)作地實時采集和處理物理世界的大量信息， 實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的功能[1]。

采用無線通信技術(shù)組建網(wǎng)絡(luò)時不使用傳統(tǒng)的電纜線來進(jìn)行連接。它的優(yōu)勢是：

靈活性高，不受敷設(shè)電纜線的限制。

機(jī)動性強(qiáng)，易于擴(kuò)容。

經(jīng)濟(jì)性好，維護(hù)費(fèi)用少。

二、設(shè)計方案

2.1 功能需求

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

自動采集養(yǎng)殖水域的溶解氧、水溫、增氧水泵工作狀態(tài)等實時數(shù)據(jù)。

接收有關(guān)人員指示，對增氧水泵等對象進(jìn)行實時控制。

在無人值守的情況下，可自動對增氧水泵等對象進(jìn)行實時控制。

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

由于單個養(yǎng)殖水域的面積不會太大，采集環(huán)境參數(shù)的傳感器與控制器集中在一個不大的范圍內(nèi)。同時由于水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境參數(shù)的變化是一個慢過程，對采集速率要求不高。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)

為實現(xiàn)上述功能，系統(tǒng)有一個無線傳感器網(wǎng)和一個無線局域網(wǎng)，兩個無線網(wǎng)通過異構(gòu)網(wǎng)關(guān)連成一個整體，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)點和匯聚節(jié)點組成。傳感器節(jié)點將傳感器測量的環(huán)境參數(shù)通過無線傳輸模塊發(fā)送出去，并接收匯聚節(jié)點發(fā)送的指令。匯聚節(jié)點接收傳感器節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)，并向傳感器節(jié)點發(fā)送有關(guān)指令。匯聚節(jié)點位于網(wǎng)關(guān)內(nèi)，是網(wǎng)關(guān)的組成部分之一。無線局域網(wǎng)通過各種用戶終端來共享數(shù)據(jù)信息，并對系統(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無線傳感網(wǎng)

選用Si1000無線通信模塊。Si1000模塊是美國Silicon Labs公司推出的一體化射頻芯片，在極精簡的封裝中結(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 定義的一個無線網(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)將來的功能擴(kuò)充預(yù)留了豐富的資源。

四、軟件設(shè)計

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)點到網(wǎng)關(guān)。

增氧水泵狀態(tài)數(shù)據(jù)，由傳感器節(jié)點到網(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。

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

實時廣播和查詢數(shù)據(jù)，由網(wǎng)關(guān)到Wi-Fi節(jié)點。

實時查詢請求，由Wi-Fi節(jié)點到網(wǎng)關(guān)。

控制參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)（供二級自動控制），由Wi-Fi節(jié)點到網(wǎng)關(guān)。

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

4.1.2任務(wù)分析

應(yīng)用層可歸納為四個單元任務(wù)，按執(zhí)行的優(yōu)先級不同依次是水泵控制（網(wǎng)關(guān)向采樣匯聚節(jié)點發(fā)水泵控制信號）、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）、采樣處理（網(wǎng)關(guān)讀取采樣數(shù)據(jù)并實時處理、顯示、廣播）、實時查詢（網(wǎng)關(guān)接收實時查詢請求，并發(fā)送查詢數(shù)據(jù)）。

4.1.3 運(yùn)行說明

在S3C6410嵌入式開發(fā)平臺上實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用層功能。系統(tǒng)初始化后建立一個空的任務(wù)隊列，通過對輸入信號的中斷響應(yīng)形成有優(yōu)先等級的任務(wù)隊列，并依序執(zhí)行各單元任務(wù)。當(dāng)隊列空時，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。

設(shè)計串口通信程序，使得S3C6410和SI1000匯聚節(jié)點能夠進(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)計命令生成程序，使得S3C6410能夠根據(jù)指定的語法參數(shù)生成對應(yīng)的命令或控制幀，并將其通過串口傳遞給SI1000匯聚節(jié)點，以實現(xiàn)命令控制。

實現(xiàn)幀解析程序，使得從匯聚節(jié)點接收到的數(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，實現(xiàn)實時接受任何突發(fā)事件或數(shù)據(jù)報告并進(jìn)行解析、保存日志文件。在需要發(fā)送指令的時候可以調(diào)用命令生成程序發(fā)送指定的命令幀。

連接無線路由器，測試ftp服務(wù)的運(yùn)行效果。

4.2無線傳感網(wǎng)部分

4.2.1 功能

傳感器網(wǎng)采用點—多點的星形拓?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)點依次輪詢傳感器節(jié)點，接收采樣數(shù)據(jù)；匯聚節(jié)點將采樣數(shù)據(jù)匯聚后統(tǒng)一傳給應(yīng)用層；匯聚節(jié)點接收應(yīng)用層來的控制數(shù)據(jù)并將其傳給相應(yīng)的傳感器節(jié)點。

4.2.2 開發(fā)步驟

實現(xiàn)SI1000 Gateway與SI1000 Node之間的點對點的簡單通信；實現(xiàn)SI1000 Gateway與SI1000 Node之間的十六進(jìn)制帶格式幀通信；實現(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)通過無線信道轉(zhuǎn)發(fā)（廣播），并能將無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；實現(xiàn)SI1000 Node的幀解析功能，可以將SI1000 Gateway發(fā)來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，判斷命令的對象是否和自己的節(jié)點號吻合并分析命令的內(nèi)容。根據(jù)命令執(zhí)行指定的操作（如報告當(dāng)前數(shù)據(jù)或打開關(guān)閉增氧泵）生成對應(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、幀長度、幀類型、數(shù)據(jù)信息四個字段。各字段定義如下：

幀頭`，長度為3字節(jié)，固定為FE0021。

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

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

數(shù)據(jù)信息，長度為2字節(jié)，具體含義與幀類型有關(guān)。對查詢幀，第一字節(jié)為終端ID號（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)點匯報當(dāng)前含氧量傳感器數(shù)據(jù)）；對控制幀，第一字節(jié)為終端ID號（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，固定為 FE 00 21。

幀長度，1字節(jié)長，幀類型和數(shù)據(jù)信息的總長度。

幀類型，1字節(jié)長，0x03表示應(yīng)答。

終端ID，1字節(jié)長，應(yīng)答的十六進(jìn)制終端號。

應(yīng)答內(nèi)容，1字節(jié)長，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，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

經(jīng)過測試，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；對指定設(shè)備（如增氧泵）的狀態(tài)查詢；對養(yǎng)殖水域中增氧泵或其他設(shè)備的自動控制；通過Wi-Fi 用戶對歷史數(shù)據(jù)文件的遠(yuǎn)程查詢。

異構(gòu)網(wǎng)關(guān)是多個遵守不同協(xié)議的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實現(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)固然使項目實現(xiàn)的難度增大，但卻使其更具有實用性，有更高的技術(shù)含量。無線傳感網(wǎng)技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的采用使得整個系統(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)，感謝實驗室曾工的大力幫助。文中有不當(dāng)之處望及時指教。

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（自然科學(xué)版），2011，01：1-9.

[2]李善榮，閆述.Si1000低功耗性能與在無線傳感器節(jié)點上的應(yīng)用開發(fā)[J].無線通信技術(shù)，2011，03：32-37.

[3]李學(xué)濤.基于Si1000的無線M-Bus通信系統(tǒng)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012，05：33-35.

[4]李曉陽.WiFi技術(shù)及其應(yīng)用與發(fā)展[J].信息技術(shù)，2012，02：196-198.