摘 要： 提出了一種公共無線通信網絡與IPv6傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡融合的遠程智能監(jiān)控系統，介紹了系統的體系結構，重點闡述了系統的結構組成、工作過程和數據流程，通過在精準農業(yè)中的應用表明了系統符合遠程監(jiān)控" title="遠程監(jiān)控">遠程監(jiān)控的發(fā)展趨勢。
關鍵詞： 無線傳感器網絡 IPv6 遠程監(jiān)控 CDMA網關
遠程監(jiān)控是當前國內外的前沿技術課題之一。遠程監(jiān)控是指本地計算管理端通過公共Internet網絡、公共無線通信網絡、局域網等對遠端監(jiān)測區(qū)域進行監(jiān)測和設備控制，完成對遠程目標系統的狀態(tài)監(jiān)控及設備的啟動、關閉、維護等功能。遠程監(jiān)控具有節(jié)省人力資源、可監(jiān)控惡劣環(huán)境或不可達的區(qū)域、方便測量實時數據等優(yōu)點。但目前的遠程監(jiān)控系統" title="遠程監(jiān)控系統">遠程監(jiān)控系統存在著成本高、設備數量少、有線網絡不可達、精確性不高等問題。
無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近的大量廉價微型傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網絡[1]。無線傳感器網絡具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴展等優(yōu)點，可以廣泛地應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、農業(yè)監(jiān)測控制、智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領域。
IPv6是下一代互聯網的核心協議，具有地址資源豐富、地址自動配置、支持實時業(yè)務、安全性高、移動性好等優(yōu)點。將IPv6與無線傳感器網絡結合構建的IPv6無線傳感器網絡，可以滿足目前無線傳感器網絡在地址、安全、移動及與現有網絡融合等方面的需求，已成為無線傳感器網絡的研究熱點之一。
通過公共通信網絡和基于IPv6無線傳感器網絡融合的遠程智能監(jiān)控系統能夠解決遠程監(jiān)控中存在的成本、數量、通信方面的諸多問題，是遠程控制發(fā)展的必然趨勢。
本文提出了一種公共無線通信網絡和基于IPv6無線傳感器網絡融合的遠程智能監(jiān)控系統，構建了其特定的體系結構，重點介紹了該應用系統的軟硬件平臺、功能及性能，最后通過在精準農業(yè)生產中的應用表明了該系統可以實現遠程監(jiān)測、控制等需求，能有效地解決目前遠程監(jiān)控中存在的問題。
1 遠程監(jiān)控系統設計
1.1 遠程監(jiān)控系統架構
本文將公共無線CDMA通信網絡和IPv6無線傳感器網絡融合構建了遠程監(jiān)控系統，監(jiān)控系統由部署在監(jiān)測區(qū)域的不同類型傳感器節(jié)點構成，通過傳感器實時地從外界采集信息，及時處理并發(fā)送到網關節(jié)點，再經由CDMA和Internet網絡把數據傳輸到服務器。管理員通過訪問服務器獲知遠程監(jiān)測區(qū)域內的環(huán)境狀況并自動采取相應設備的啟動、停止等措施，從而達到遠程監(jiān)控的目的。系統的具體架構見圖1。
1.2 監(jiān)控系統工作過程和數據流程圖
遠程監(jiān)控系統由硬件平臺和軟件平臺構成。硬件平臺由無線傳感器網絡節(jié)點、CDMA網關節(jié)點和服務器設備構成。軟件平臺由無線傳感器網絡節(jié)點嵌入式IPv6軟件、網關嵌入式IPv6軟件和服務器端數據處理控制軟件構成。
監(jiān)控系統工作過程為：傳感器節(jié)點部署后，加電啟動，等待命令加入IPv6傳感器網絡；管理員通過服務器發(fā)送啟動命令到網關節(jié)點，啟動允許加入網絡參數；節(jié)點加入網絡，獲取短地址信息，配置本地鏈路地址，并且根據自身節(jié)點的類型開始工作；節(jié)點向網關節(jié)點申請全局單播地址網絡前綴，由網關節(jié)點分配節(jié)點全局單播IPv6地址，節(jié)點把配置參數傳輸到服務器數據庫中；管理員發(fā)送節(jié)點采集命令，同時設置采集周期，服務器封裝IPv6數據包，經過匯聚點，發(fā)送給傳感器網絡節(jié)點；節(jié)點接收到采集命令后進行周期采集數據，建立路由，并且將數據信息以UDP/IPv6數據包形式傳送到服務器。
管理員配置環(huán)境參數的浮動范圍，如果采集的數據值超過該范圍，服務器終端示警，則根據數據的相應位置信息自動啟動設備裝置進行環(huán)境調節(jié)。
由于數據傳輸經由三個不同的網絡，數據格式在每個網絡中各不相同，圖2所示為IP層數據傳輸的流程圖。
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1.3 遠程監(jiān)控系統設備組成
1.3.1 IPv6無線傳感器網絡節(jié)點結構
傳感器節(jié)點的硬件主要由傳感控制模塊、處理器模塊、無線射頻模塊和能量供應模塊四部分構成[2]。傳感控制模塊主要由各種類型傳感器、控制設備接口和外圍電路構成，傳感器負責采集外界環(huán)境的信息，設備通過標準接口與節(jié)點連接。處理器模塊主要負責節(jié)點的設備控制、任務調度、功能協調、工作狀態(tài)控制、收發(fā)數據處理等。無線射頻模塊主要負責調制傳輸信號、頻率、帶寬、數據速率、收發(fā)功率等。
傳感器網絡中節(jié)點軟件實現控制節(jié)點的工作狀態(tài)、周期、傳輸路徑及優(yōu)化路由、處理數據、控制射頻端發(fā)射等功能。節(jié)點采用精簡的微型TCP/IPv6協議棧和適用于IPv6無線傳感器網絡的動態(tài)路由協議。節(jié)點軟件體系結構如圖3所示。
網絡接口模塊(包括802.15.4 PHY層和MAC層)為網絡協議提供了統一的發(fā)送接收接口，屏蔽各種物理介質，同時負責把來自下層的數據包傳輸到合適的適配層協議；中間適配層模塊提供了對基于IEEE802.15.4標準IPv6數據包到網絡層的傳輸平臺[3]，對超過IEEE802.15.4幀結構長度的IPv6數據包分片、壓縮，同時對接收到的IPv6數據分片報文進行重組和恢復;TCP/IPv6協議棧和動態(tài)路由協議模塊是整個節(jié)點軟件的關鍵部分，采用精簡的TCP/IPv6協議棧和適合IPv6無線傳感器網絡的動態(tài)路由協議[4];應用層模塊擴展了IPv6無線傳感器網絡的功能，包括簡單網絡管理、數據采集控制、節(jié)能等應用層協議。
1.3.2 IPv6無線傳感器網絡和CDMA網絡網關結構
監(jiān)控系統中網關節(jié)點實現了數據匯聚轉發(fā)的功能，CDMA DTU(CDMA Date Transmit Unit, CDMA數據傳輸裝置)和普通節(jié)點通過串口連接實現網關功能。
CDMA DTU在公共無線CDMA網絡的身份通過UIM(User Identification Module)卡識別。DTU連接到CDMA網絡后自動獲取IP地址，配置CDMA DTU的工作模式(透明傳輸模式)和相應的串口速率等。傳輸數據不需要做任何處理，直接封裝成CDMA數據格式經由CDMA網絡和Internet傳輸，實現服務器與監(jiān)測區(qū)域內傳感器網絡的雙向鏈接。其特點如下：
(1)提供透明傳輸機制，減少數據處理環(huán)節(jié)，保障數據傳輸的穩(wěn)定性和正確性；
(2)采用CDMA網絡，不受時間和地域條件的限制，能在全國范圍內實現實時數據通信；
(3)適用于間斷的、突發(fā)的、頻繁的和少量的數據傳輸，符合傳感器網絡的數據傳輸特點。
1.3.3 服務器端結構
服務器用于接收存儲節(jié)點采集的數據，可遠端接收數據，只需連接Internet網絡即可。管理員或用戶可以通過Internet遠程訪問服務器，通過Web頁面操作可遠程控制監(jiān)測區(qū)域內節(jié)點和設備的工作。
由于DTU把無線傳感器網絡的IPv6數據包封裝到CDMA格式數據的應用層，通過CDMA和Internet網絡傳輸，所以在服務器必須采用數據處理控制軟件，解析出應用層數據。圖4為服務器采用IPv6嵌入協議棧來實現解析數據的過程。
2 遠程監(jiān)控系統的精準農業(yè)應用實例
將遠程監(jiān)控系統部署于三個溫室內，每個溫室放置一定數量的不同類型的傳感器節(jié)點。監(jiān)控系統必須實現以下主要功能：
(1)環(huán)境監(jiān)測功能：各個溫室內部署不同類型傳感器實現對溫室內環(huán)境的監(jiān)測。當某個參數超過該設定值時，發(fā)出警報通知用戶。
(2)溫室內設備控制功能：如果某環(huán)境參數超過設定門限值(根據各種農作物要求的環(huán)境而定)，自動遠程控制溫室內通風、遮擋和灌溉等設備的啟動和關閉，滿足植物生長的環(huán)境。
由于用戶需要測試的位置點已經固定，三個溫室(面積：75m×15m)內節(jié)點的位置部署相同，如圖5所示，包括2個土壤濕度、2個CO2濃度、4個空氣溫度、4個空氣濕度、3個室內光強、1個室外光強傳感器節(jié)點。根據實際要求在室外需放置光強節(jié)點，用以比較室內外的光強，從而控制放下或提起遮擋簾。
溫室內傳感器節(jié)點的部署位置、類型和數量不是固定的，可以根據實際需要改變傳感器節(jié)點的位置、類型及數量。在本應用系統中，采用表1所示型號的溫度、濕度、光強、土壤濕度、CO2濃度等模擬數據輸出傳感器。
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傳感器節(jié)點周期性(本系統采集周期為1分鐘)地采集周圍的環(huán)境參數。如果某個時間用戶關心某個位置點的環(huán)境參數，則可以遠程登陸服務器查看和控制該節(jié)點工作。
圖6為中午12時溫室1內溫度節(jié)點WD14采集的溫度曲線圖。
圖7為下午16時監(jiān)測溫室2的光強節(jié)點GQ22采集的光強曲線圖。
從實際應用系統的結果來看，CDMA網絡與IPv6無線傳感器網絡融合的遠程監(jiān)控系統滿足了精細農業(yè)監(jiān)控的各項要求。
3 性能分析
在本遠程監(jiān)控系統中，若監(jiān)控區(qū)域的某個節(jié)點向服務器發(fā)送一條采集信息，則該過程所產生的時延" title="時延">時延如圖8所示。
總時延Ts由節(jié)點發(fā)送處理時延T1、節(jié)點到網關的傳輸時延T2、網關接收處理發(fā)送的時延T3、CDMA網絡的時延T4、CDMA網絡到Internet網絡的內部網關處理時延T5、Internet網絡傳輸到服務器的時延T6六部分構成，若用戶遠程訪問服務器，則增加用戶遠程訪問服務器的時延T7。
在給定軟硬件條件下，取決于設備性能的時延T1與T3是可預測的，網絡傳輸的時延取決于網絡帶寬、鏈路質量、信道吞吐量及傳輸數據量大小等因素，因此，T2、T4、T5、T6、T7是不可預測的。
根據系統測試可知，節(jié)點處理時延T1和網關處理時延T3均小于3ms，用戶訪問服務器的時延T7小于1ms，用戶發(fā)送命令到網關的時延為165ms，即T4+T5+T6+T7≌165ms，IPv6無線傳感器網絡內傳輸時延T2≌140ms，因此本系統單向總時延約為305ms，該時延完全能夠滿足系統的工作需要。
系統流量由節(jié)點發(fā)送的采集信息、命令數據、保持鏈路數據和保持網絡數據等構成。流量的大小主要取決于采集信息數據的大小，而采集的周期和數據包的大小又決定了傳輸數據的大小，因此節(jié)點要選擇合適的采集周期和信息的封裝，既要滿足用戶的需求，又要使流量盡可能小。
本文針對目前遠程監(jiān)控中存在的人力資源浪費、成本高、精確性不高等問題，提出了一種公共無線CDMA網絡和IPv6無線傳感器網絡融合的遠程監(jiān)控系統。通過應用于精準農業(yè)的實例可以看出，該系統具有節(jié)約人力資源、成本低、實時性強、數據精確、靈活性好、擴展性高、可以遠程監(jiān)測被測區(qū)域的環(huán)境參數及控制相應設備等優(yōu)點，符合遠程監(jiān)控未來發(fā)展的趨勢。另外，該系統可以擴展應用到遠程監(jiān)控的其他應用領域，例如環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領域。
參考文獻