多重?zé)o線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的智能云控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

巫肇彬 覃銘淼 何長珊

摘 ? 要：介紹一個多重?zé)o線異構(gòu)的云控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括云端服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)和眾多終端節(jié)點(diǎn)，集成了ZigBee、WiFi、GSM等通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同協(xié)議之間的數(shù)據(jù)異構(gòu)融合，將其應(yīng)用于各種不同的復(fù)雜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境的智能化監(jiān)控.在本文中，以智慧家庭為例，搭建硬件實(shí)驗(yàn)平臺構(gòu)建智能化監(jiān)控系統(tǒng).其中，前端構(gòu)建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)關(guān)對不同制式的協(xié)議統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共性融合;云端服務(wù)器對來網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理，并對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行智能控制.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，智慧家庭中不同制式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)無縫銜接，云服務(wù)器與采集終端實(shí)現(xiàn)了信息交互，對家庭設(shè)備進(jìn)行了智能化控制.因此，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性好、穩(wěn)定性高、操作簡單，可用于車聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭、智能農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域.

關(guān)鍵詞： 無線異構(gòu);云控制系統(tǒng);融合

中圖分類號：TN926;TP273 ? ? ? DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.005

引言

現(xiàn)有的各種無線通信系統(tǒng)中，采用單一的無線網(wǎng)絡(luò)制式很難同時在傳輸距離、傳輸速度、功耗等方面滿足需求多樣化的智能系統(tǒng)要求.未來的發(fā)展必然是多種無線接入技術(shù)共存、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展[1].多重?zé)o線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是一種新型網(wǎng)絡(luò)，可以最大程度地利用現(xiàn)有的各種通信技術(shù)的優(yōu)勢，通過系統(tǒng)內(nèi)統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)融合，降低成本，使系統(tǒng)性能都有質(zhì)的提高[2].采用不同的接入手段，根據(jù)產(chǎn)品的需求，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的重組與異構(gòu)融合[3]，使得不同的協(xié)議有機(jī)結(jié)合在一起.無線異構(gòu)融合基本功能主要是將各種不同協(xié)議、不同制式的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成接收方所能識別兼容的格式，實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)傳輸，達(dá)到多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無縫切換的目的.核心部分主要是利用網(wǎng)關(guān)對來自不同協(xié)議的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提取核心的數(shù)據(jù)信息，然后統(tǒng)一封裝，添加相應(yīng)的幀頭和幀尾，最終轉(zhuǎn)換成接收方所采用的協(xié)議格式.

多重?zé)o線異構(gòu)融合已經(jīng)成為通信領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容.無線通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合是未來智能系統(tǒng)發(fā)展的趨勢[4].本文將云服務(wù)器與無線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)一個多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合的云控制系統(tǒng)，并進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)測試，獲得一些基本參數(shù).通過云服務(wù)器的實(shí)時分析，實(shí)現(xiàn)終端數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控.在實(shí)驗(yàn)測試中，不同制式的協(xié)議經(jīng)過網(wǎng)關(guān)的共性操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫傳輸.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，成本低廉，可通過云端服務(wù)器對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，能穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的共性融合與傳輸.

1 ? ?方案設(shè)計(jì)

由于智能控制系統(tǒng)的需求，充分考慮傳輸距離、傳輸速度、抗干擾能力以及傳送數(shù)據(jù)特性等因素，系統(tǒng)集成了ZigBee、WiFi、GSM、GPRS等通信協(xié)議.系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議到現(xiàn)場總線協(xié)議的轉(zhuǎn)換[5].終端設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)其協(xié)議類型進(jìn)行解析，然后封裝成數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，最后傳送給云服務(wù)器及監(jiān)控中心.監(jiān)控中心根據(jù)數(shù)據(jù)類型，對其進(jìn)行相應(yīng)的分析處理.

云服務(wù)器主要是利用中國移動物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)平臺——OneNET[6]，該平臺支持多種語言開發(fā)SDK，可以實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的快速接入，具有分布式結(jié)構(gòu)和多重?cái)?shù)據(jù)保障機(jī)制，提供傳輸加密和安全的數(shù)據(jù)存儲，支持EDP、MQTT、TCP等接入?yún)f(xié)議.OneNET將接收到的數(shù)據(jù)按照協(xié)議包存儲，并以API的方式提供給應(yīng)用層使用，實(shí)現(xiàn)終端與服務(wù)器的完整交互.

云控制系統(tǒng)主要分為3大部分：云服務(wù)器、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)終端設(shè)備.具體架構(gòu)如圖1所示.

2 ? ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中，以智慧家庭為例，由ZigBee、WiFi、GSM組成的多源異構(gòu)網(wǎng)絡(luò).前端利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)[7]，通過其采集溫度、濕度、氣體、門禁系統(tǒng)情況等數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)上傳到服務(wù)器，通過多重異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對家庭環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控;如果門禁被強(qiáng)行打開，或者危險氣體泄漏，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時電話預(yù)警，使用戶第一時間掌握家庭動態(tài)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

整個系統(tǒng)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備，協(xié)調(diào)器屬于網(wǎng)關(guān)的一部分;網(wǎng)關(guān)中還包含GSM模塊和WiFi模塊;協(xié)調(diào)器建立星型網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)1、2、3分別加入網(wǎng)絡(luò)，并采集溫度、濕度、氣體、門禁情況等數(shù)據(jù)，經(jīng)過網(wǎng)關(guān)的WiFi模塊實(shí)時傳送到云服務(wù)器.同時，根據(jù)信號的緊急程度判斷是否要啟動GSM預(yù)警功能.

2.1 ? 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由ZigBee、WiFi、GSM通信協(xié)議組成，考慮到無線通信部分特殊的工藝要求以及模塊節(jié)點(diǎn)的可移植性，將各通信節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成最小系統(tǒng)或模塊，在使用時根據(jù)系統(tǒng)需求增加一定的外圍電路或傳感器，連接組成完整的系統(tǒng).

1）ZigBee通信節(jié)點(diǎn)電路

本系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)采用CC2530處理器[8]，此處理器只需要很少的外圍元器件和去耦電容即可實(shí)現(xiàn)無線的組網(wǎng)通信.在此電路中，包括1個32 MHz的無源晶振，1個32.768 kHz的無源晶振，射頻前端電路與天線，以及芯片的去耦電容.其電路如圖3所示.

2）WiFi通信節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)WiFi通信節(jié)點(diǎn)采用ESP8266模塊，此模塊具有完整獨(dú)立的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，是專門為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的;集成了TCP/IP協(xié)議，有著很豐富的基于Socket的AT指令集，以及強(qiáng)大的片上處理和存儲能力.其電路如圖4所示.

3）GSM通信節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

GSM通信節(jié)點(diǎn)采用SIM800C模塊，可以實(shí)現(xiàn)低功耗的傳輸語音、GSM短信和數(shù)字信息，通過標(biāo)準(zhǔn)的AT指令可以實(shí)現(xiàn)對其控制，實(shí)現(xiàn)自動報警功能.GSM模塊與CPU的USART2連接進(jìn)行通信，模塊的VMCU端連接CPU的PA4口，主要是接受主控器的信號，然后驅(qū)動內(nèi)部的SIM卡進(jìn)行通信.其電路如圖5所示.

2.2 ? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，為了優(yōu)化程序代碼，便于編程、調(diào)試和維護(hù)，軟件結(jié)構(gòu)采用模塊化方案設(shè)計(jì)，分別獨(dú)立編寫調(diào)試各個子功能模塊的程序，預(yù)留出標(biāo)準(zhǔn)的接口，最后通過終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)將所有的模塊連接起來，構(gòu)成整個系統(tǒng).系統(tǒng)軟件主要包括網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)、溫濕度采集程序設(shè)計(jì)、門禁系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)、氣體煙霧檢測程序設(shè)計(jì)及通信協(xié)議設(shè)計(jì).

2.2.1 ? 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)是整個系統(tǒng)的大腦，對整個系統(tǒng)起著控制調(diào)節(jié)的作用.在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)各個終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集并匯集到終端服務(wù)器.圖6為網(wǎng)關(guān)工作的程序流程圖，在終端設(shè)備開始采集數(shù)據(jù)之前，先判斷網(wǎng)關(guān)是否與服務(wù)器連接成功;在確認(rèn)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器連接成功后，網(wǎng)關(guān)判斷服務(wù)器是否下達(dá)指令.如果有指令，首先執(zhí)行指令任務(wù)，然后開始采集數(shù)據(jù).在接收到數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)關(guān)判斷數(shù)據(jù)的緊急程度，判定是否需要啟動GSM電話預(yù)警;然后開始數(shù)據(jù)的封裝，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，上傳到云服務(wù)器.

網(wǎng)關(guān)連接云服務(wù)器主要是通過WiFi模塊連接到“oneNET”平臺.本系統(tǒng)利用esp8266WiFi模塊通過TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)接入oneNET服務(wù)器，具體配置如下：

2.2.2 ? 溫濕度采集程序設(shè)計(jì)

溫濕度采集程序設(shè)計(jì)如圖7所示.首先，對溫濕度傳感器SHT20進(jìn)行初始化操作;然后，SHT20進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采集，采集完成后對數(shù)據(jù)進(jìn)行溫濕度補(bǔ)償?shù)忍幚?最后，通過ZigBee協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān).數(shù)據(jù)每5 s通過ZigBee上傳一次.

2.2.3 ? 門禁系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)主要功能是通過刷卡出入或者輸入密碼出入進(jìn)行防盜.整個系統(tǒng)初始化之后，系統(tǒng)開始尋卡，如果檢測到有IC卡靠近，就開始讀取IC卡的卡號，并和系統(tǒng)存儲的卡號進(jìn)行匹配.如果卡號一致就打開門，否則上傳報警信號到網(wǎng)關(guān);如果用戶選擇輸入密碼，系統(tǒng)開始讀取鍵盤值，讀取到的值跟系統(tǒng)存儲的密碼比對，二者一致就打開門，否則同樣上傳報警信號;如果大門被強(qiáng)制打開，系統(tǒng)發(fā)送報警信號給家庭網(wǎng)關(guān).系統(tǒng)流程如圖8所示.

2.2.4 ? 氣體煙霧檢測程序設(shè)計(jì)

氣體煙霧模塊運(yùn)行時，首先進(jìn)行初始化操作.由于MQ-2傳感器在使用之前，必須要先預(yù)熱才可以采集數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，所以在初始化時要等待5 min，在此期間LED燈會一直閃爍.如果LED變?yōu)槌Ａ?，則代表已經(jīng)初始化完成，可以開始讀取環(huán)境中氣體的濃度數(shù)據(jù)了.如果讀取到的值超過設(shè)定值，那么報警信號將通過ZigBee上傳至網(wǎng)關(guān).否則，每5 min上傳一次讀取到的氣體濃度值.氣體煙霧模塊程序流程圖如圖9所示.

2.2.5 ? 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

由于ZigBee、WiFi、GSM通信協(xié)議都是可編程的，所以網(wǎng)關(guān)通信協(xié)議采用自己定制的方式.在系統(tǒng)中開辟一段連續(xù)地址作為標(biāo)準(zhǔn)寄存器，寄存相關(guān)數(shù)據(jù)的緊急程度的閾值，區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)的緊急程度，增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時性.在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，增加了數(shù)據(jù)優(yōu)先級指令.其通信格式如表1所示.

[幀頭 載荷 幀尾 網(wǎng)絡(luò)ID 優(yōu)先級 目的地址 源地址 幀長度 數(shù)據(jù)/響應(yīng) 數(shù)據(jù) CRC校驗(yàn)碼 1字節(jié) 1字節(jié) 2字節(jié) 2字節(jié) 1字節(jié) 1字節(jié) 隨命令的變化 1字節(jié) ]

整個數(shù)據(jù)幀格式主要分為3大部分：幀頭、載荷和幀尾.

幀頭：網(wǎng)絡(luò)ID用1字節(jié)表明此數(shù)據(jù)包來源的網(wǎng)絡(luò)，即協(xié)議類型;優(yōu)先級1字節(jié)，是數(shù)據(jù)處理先后的標(biāo)識符，表明數(shù)據(jù)的緊急程度;目的地址2字節(jié)，用于標(biāo)識接收數(shù)據(jù)的設(shè)備;源地址2字節(jié)，用于標(biāo)識數(shù)據(jù)來源的設(shè)備.

載荷：長度1字節(jié)用于表示數(shù)據(jù)的長度;數(shù)據(jù)/響應(yīng)1字節(jié)，其作用主要是區(qū)分傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)還是響應(yīng);數(shù)據(jù)就是要傳輸?shù)木唧w內(nèi)容，其長度根據(jù)數(shù)據(jù)/響應(yīng)的不同而改變.

幀尾：主要是CRC校驗(yàn)碼，用于判斷數(shù)據(jù)是否正確.

2.3 ? 實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)

測試中，首先用手機(jī)登錄“oneNET”云端平臺，進(jìn)去界面5 s后手機(jī)顯示溫濕度表盤的數(shù)值為當(dāng)前環(huán)境的溫度和濕度.其中，溫度為29.80 °C，濕度為64.95%，如圖10（a）所示.然后按住ZigBee終端節(jié)點(diǎn)1的溫度傳感器，大概在20 s后檢測模塊檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，可以發(fā)現(xiàn)手機(jī)界面的溫度和濕度的表盤的值都發(fā)生了變化.其中，溫度為32.44 °C，濕度為65.5%，如圖10（b）所示.通過對比可知，云端服務(wù)器可靠的收到了前端采集的數(shù)據(jù).

然后，用打火機(jī)對著ZigBee終端節(jié)點(diǎn)2的氣體傳感器放氣，傳感器檢測到有燃?xì)夂?，?jié)點(diǎn)2上的綠色LED燈會以快速的閃爍進(jìn)行報警，如圖11（a）所示;同時，大概20 s后手機(jī)接到GSM打過來的火災(zāi)報警電話，如圖11（b）所示.

門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)有刷卡和密碼開門，如圖12所示.刷正確的門禁卡時，白色的LED燈閃爍一次，當(dāng)刷的卡錯誤時，白色的LED燈一直閃爍;輸入密碼為“1234”再輸入結(jié)束符“#”時，因?yàn)槭钦_的密碼，所以同樣是白色的LED燈閃爍一次，輸入的密碼是“1459”或者其他數(shù)字，因?yàn)槭清e誤的密碼時，白色的LED燈一直閃爍;若強(qiáng)制打開門磁的時候，黃色的LED燈亮，手機(jī)在20 s內(nèi)會接受到GSM打過來的報警電話.

此外，點(diǎn)擊界面上的“ON/OFF”，如圖13所示，還可以進(jìn)行家電設(shè)備的遠(yuǎn)程控制：點(diǎn)擊“ON/OFF”按鈕，觀察到圖12門禁系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上的紅色的LED燈變亮;再點(diǎn)擊一次這個按鈕，圖13門禁系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)上亮著的紅色LED燈變黑.

2.4 ? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)可以看出，云服務(wù)器與采集終端實(shí)現(xiàn)了信息交互.不同協(xié)議的數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)的協(xié)同處理下，異構(gòu)融合，可靠穩(wěn)定的傳輸?shù)皆贫朔?wù)器.云端服務(wù)器監(jiān)控中心根據(jù)情況，對監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下達(dá)相應(yīng)的指令.從溫度變化、電話預(yù)警的時間來看，系統(tǒng)的實(shí)時性有待進(jìn)一步改善，影響實(shí)時性的因素主要有：1）溫度傳感器的靈敏度不高;2）所處環(huán)境的GSM信號弱;3）系統(tǒng)存在多種通信協(xié)議，容易相互影響;

針對以上問題，可以通過提高溫度傳感器靈敏度，增大GSM的發(fā)射功率，優(yōu)化網(wǎng)關(guān)異構(gòu)融合效率等來提高系統(tǒng)實(shí)時性.

3 ? ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的多重?zé)o線異構(gòu)的云控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，充分發(fā)揮了無線通信的優(yōu)勢，集成了多種常用的通信協(xié)議組成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，通過對異構(gòu)數(shù)據(jù)的共性操作，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)融合，達(dá)到了對復(fù)雜環(huán)境的高效實(shí)時監(jiān)控.文中以智慧家庭為例搭建的實(shí)驗(yàn)平臺，首先設(shè)計(jì)了硬件平臺，然后基于硬件部分進(jìn)行軟件算法設(shè)計(jì)，并且結(jié)合云端服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)控.實(shí)驗(yàn)時效果實(shí)時性好、可靠性高，適用于車聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭、智能農(nóng)業(yè)等智能化要求較高的領(lǐng)域，對智能化社會有著重要的意義.此外，針對實(shí)驗(yàn)中存在的問題，提高通信距離、優(yōu)化異構(gòu)數(shù)據(jù)融合效率是下一步研究的重要內(nèi)容.

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Abstract： A multi-wireless heterogeneous cloud control system is proposed which contains the cloud server， the gateway and numerous terminal nodes and combines communication protocols such as zigbee， wifi， and GSM. In the gateway， the protocols of different standards are uniformly encapsulated to realize reliable communication between the cloud server and terminal nodes， and heterogeneous integration of data between different protocols. The cloud server uniformly monitors the data from different protocols and different terminals and intelligently controls different devices. This system can be used in the fields of Internet of vehicles， smart home， intelligent agriculture and so on.

Key words： wireless heterogeneity; cloud control system; integration

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