遠(yuǎn)程監(jiān)控是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的前沿技術(shù)課題之一。遠(yuǎn)程監(jiān)控是指本地計(jì)算管理端通過(guò)公共Internet網(wǎng)絡(luò)、公共無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、局域網(wǎng)等對(duì)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)和設(shè)備控制，完成對(duì)遠(yuǎn)程目標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控及設(shè)備的啟動(dòng)、關(guān)閉、維護(hù)等功能。遠(yuǎn)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(dá)的區(qū)域、方便測(cè)量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等優(yōu)點(diǎn)。但目前的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)" title="遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)">遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在著成本高、設(shè)備數(shù)量少、有線網(wǎng)絡(luò)不可達(dá)、精確性不高等問(wèn)題。
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)" title="傳感器節(jié)點(diǎn)">傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)^[1]。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)控制、智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域。
　　IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動(dòng)配置、支持實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、安全性高、移動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)。將IPv6與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合構(gòu)建的IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以滿足目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地址、安全、移動(dòng)及與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合等方面的需求，已成為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn)之一。
　　通過(guò)公共通信網(wǎng)絡(luò)和基于IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠解決遠(yuǎn)程監(jiān)控中存在的成本、數(shù)量、通信方面的諸多問(wèn)題，是遠(yuǎn)程控制發(fā)展的必然趨勢(shì)。
　　本文提出了一種公共無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和基于IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建了其特定的體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了該應(yīng)用系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)、功能及性能，最后通過(guò)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用表明了該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制等需求，能有效地解決目前遠(yuǎn)程監(jiān)控中存在的問(wèn)題。
1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
　　本文將公共無(wú)線CDMA通信網(wǎng)絡(luò)和IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合構(gòu)建了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域的不同類型傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)地從外界采集信息，及時(shí)處理并發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)由CDMA和Internet網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器。管理員通過(guò)訪問(wèn)服務(wù)器獲知遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況并自動(dòng)采取相應(yīng)設(shè)備的啟動(dòng)、停止等措施，從而達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)的具體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)工作過(guò)程和數(shù)據(jù)流程圖
　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)構(gòu)成。硬件平臺(tái)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、CDMA網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和服務(wù)器設(shè)備構(gòu)成。軟件平臺(tái)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)嵌入式IPv6軟件、網(wǎng)關(guān)嵌入式IPv6軟件和服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理控制軟件構(gòu)成。
　　監(jiān)控系統(tǒng)工作過(guò)程為：傳感器節(jié)點(diǎn)部署后，加電啟動(dòng)，等待命令加入IPv6傳感器網(wǎng)絡(luò)；管理員通過(guò)服務(wù)器發(fā)送啟動(dòng)命令到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，啟動(dòng)允許加入網(wǎng)絡(luò)參數(shù)；節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，獲取短地址信息，配置本地鏈路地址，并且根據(jù)自身節(jié)點(diǎn)的類型開(kāi)始工作；節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)全局單播地址網(wǎng)絡(luò)前綴，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)分配節(jié)點(diǎn)全局單播IPv6地址，節(jié)點(diǎn)把配置參數(shù)傳輸?shù)椒?wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中；管理員發(fā)送節(jié)點(diǎn)采集命令，同時(shí)設(shè)置采集周期，服務(wù)器封裝IPv6數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)匯聚點(diǎn)，發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；節(jié)點(diǎn)接收到采集命令后進(jìn)行周期采集數(shù)據(jù)，建立路由，并且將數(shù)據(jù)信息以UDP/IPv6數(shù)據(jù)包形式傳送到服務(wù)器。
　　管理員配置環(huán)境參數(shù)的浮動(dòng)范圍，如果采集的數(shù)據(jù)值超過(guò)該范圍，服務(wù)器終端示警，則根據(jù)數(shù)據(jù)的相應(yīng)位置信息自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備裝置進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。
　　由于數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)由三個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)格式在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各不相同，圖2所示為IP層數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D。

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1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備組成
1.3.1 IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
　　傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件主要由傳感控制模塊、處理器模塊、無(wú)線射頻模塊和能量供應(yīng)模塊四部分構(gòu)成^[2]。傳感控制模塊主要由各種類型傳感器、控制設(shè)備接口和外圍電路構(gòu)成，傳感器負(fù)責(zé)采集外界環(huán)境的信息，設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口與節(jié)點(diǎn)連接。處理器模塊主要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、工作狀態(tài)控制、收發(fā)數(shù)據(jù)處理等。無(wú)線射頻模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)制傳輸信號(hào)、頻率、帶寬、數(shù)據(jù)速率、收發(fā)功率等。
　　傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)軟件實(shí)現(xiàn)控制節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、周期、傳輸路徑及優(yōu)化路由、處理數(shù)據(jù)、控制射頻端發(fā)射等功能。節(jié)點(diǎn)采用精簡(jiǎn)的微型TCP/IPv6協(xié)議棧和適用于IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議。節(jié)點(diǎn)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。
　　網(wǎng)絡(luò)接口模塊(包括802.15.4 PHY層和MAC層)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了統(tǒng)一的發(fā)送接收接口，屏蔽各種物理介質(zhì)，同時(shí)負(fù)責(zé)把來(lái)自下層的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)胶线m的適配層協(xié)議；中間適配層模塊提供了對(duì)基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)IPv6數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡(luò)層的傳輸平臺(tái)^[3]，對(duì)超過(guò)IEEE802.15.4幀結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度的IPv6數(shù)據(jù)包分片、壓縮，同時(shí)對(duì)接收到的IPv6數(shù)據(jù)分片報(bào)文進(jìn)行重組和恢復(fù);TCP/IPv6協(xié)議棧和動(dòng)態(tài)路由協(xié)議模塊是整個(gè)節(jié)點(diǎn)軟件的關(guān)鍵部分，采用精簡(jiǎn)的TCP/IPv6協(xié)議棧和適合IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由協(xié)議^[4];應(yīng)用層模塊擴(kuò)展了IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能，包括簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)采集控制、節(jié)能等應(yīng)用層協(xié)議。
1.3.2 IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和CDMA網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)
　　監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)匯聚轉(zhuǎn)發(fā)的功能，CDMA DTU(CDMA Date Transmit Unit, CDMA數(shù)據(jù)傳輸裝置)和普通節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口連接實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能。
　　CDMA DTU在公共無(wú)線CDMA網(wǎng)絡(luò)的身份通過(guò)UIM(User Identification Module)卡識(shí)別。DTU連接到CDMA網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)獲取IP地址，配置CDMA DTU的工作模式(透明傳輸模式)和相應(yīng)的串口速率等。傳輸數(shù)據(jù)不需要做任何處理，直接封裝成CDMA數(shù)據(jù)格式經(jīng)由CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet傳輸，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器與監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)傳感器網(wǎng)絡(luò)的雙向鏈接。其特點(diǎn)如下：
　　(1)提供透明傳輸機(jī)制，減少數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確性；
　　(2)采用CDMA網(wǎng)絡(luò)，不受時(shí)間和地域條件的限制，能在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信；
　　(3)適用于間斷的、突發(fā)的、頻繁的和少量的數(shù)據(jù)傳輸，符合傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)。
1.3.3 服務(wù)器端結(jié)構(gòu)
　　服務(wù)器用于接收存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，可遠(yuǎn)端接收數(shù)據(jù)，只需連接Internet網(wǎng)絡(luò)即可。管理員或用戶可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程訪問(wèn)服務(wù)器，通過(guò)Web頁(yè)面操作可遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)和設(shè)備的工作。
　　由于DTU把無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的IPv6數(shù)據(jù)包封裝到CDMA格式數(shù)據(jù)的應(yīng)用層，通過(guò)CDMA和Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸，所以在服務(wù)器必須采用數(shù)據(jù)處理控制軟件，解析出應(yīng)用層數(shù)據(jù)。圖4為服務(wù)器采用IPv6嵌入?yún)f(xié)議棧來(lái)實(shí)現(xiàn)解析數(shù)據(jù)的過(guò)程。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)應(yīng)用實(shí)例
　　將遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)部署于三個(gè)溫室內(nèi)，每個(gè)溫室放置一定數(shù)量的不同類型的傳感器節(jié)點(diǎn)。監(jiān)控系統(tǒng)必須實(shí)現(xiàn)以下主要功能：
　　(1)環(huán)境監(jiān)測(cè)功能：各個(gè)溫室內(nèi)部署不同類型傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)。當(dāng)某個(gè)參數(shù)超過(guò)該設(shè)定值時(shí)，發(fā)出警報(bào)通知用戶。
　　(2)溫室內(nèi)設(shè)備控制功能：如果某環(huán)境參數(shù)超過(guò)設(shè)定門(mén)限值(根據(jù)各種農(nóng)作物要求的環(huán)境而定)，自動(dòng)遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)通風(fēng)、遮擋和灌溉等設(shè)備的啟動(dòng)和關(guān)閉，滿足植物生長(zhǎng)的環(huán)境。
　　由于用戶需要測(cè)試的位置點(diǎn)已經(jīng)固定，三個(gè)溫室(面積：75m×15m)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的位置部署相同，如圖5所示，包括2個(gè)土壤濕度、2個(gè)CO₂濃度、4個(gè)空氣溫度、4個(gè)空氣濕度、3個(gè)室內(nèi)光強(qiáng)、1個(gè)室外光強(qiáng)傳感器節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際要求在室外需放置光強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，用以比較室內(nèi)外的光強(qiáng)，從而控制放下或提起遮擋簾。
　　溫室內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)的部署位置、類型和數(shù)量不是固定的，可以根據(jù)實(shí)際需要改變傳感器節(jié)點(diǎn)的位置、類型及數(shù)量。在本應(yīng)用系統(tǒng)中，采用表1所示型號(hào)的溫度、濕度、光強(qiáng)、土壤濕度、CO₂濃度等模擬數(shù)據(jù)輸出傳感器。

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　　傳感器節(jié)點(diǎn)周期性(本系統(tǒng)采集周期為1分鐘)地采集周?chē)沫h(huán)境參數(shù)。如果某個(gè)時(shí)間用戶關(guān)心某個(gè)位置點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)，則可以遠(yuǎn)程登陸服務(wù)器查看和控制該節(jié)點(diǎn)工作。
　　圖6為中午12時(shí)溫室1內(nèi)溫度節(jié)點(diǎn)WD14采集的溫度曲線圖。
　　圖7為下午16時(shí)監(jiān)測(cè)溫室2的光強(qiáng)節(jié)點(diǎn)GQ22采集的光強(qiáng)曲線圖。
　　從實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)果來(lái)看，CDMA網(wǎng)絡(luò)與IPv6無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)融合的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)滿足了精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)控的各項(xiàng)要求。
3 性能分析
　　在本遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，若監(jiān)控區(qū)域的某個(gè)節(jié)點(diǎn)向服務(wù)器發(fā)送一條采集信息，則該過(guò)程所產(chǎn)生的時(shí)延" title="時(shí)延">時(shí)延如圖8所示。