新一代物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)研究

引言

隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，成本的不斷降低，多源感知系統(tǒng)將顯著改變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及用戶與便攜式電子產(chǎn)品之間的界面。引導(dǎo)這種發(fā)展趨勢(shì)的原始設(shè)備制造商已明確指出希望借助這些傳感器在實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)信息隨時(shí)隨地動(dòng)態(tài)感知的設(shè)想。這些現(xiàn)代傳感器提供了設(shè)計(jì)工程師所需要的感知能力，改變了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及人機(jī)交互方式。

本研究為西安電子科技大學(xué)承擔(dān)的中興通訊公司的項(xiàng)目，主要研究基于中興智能手機(jī)平臺(tái)的新一代物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。旨在用于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)和驗(yàn)證，為中興通訊研發(fā)新一代智能手機(jī)產(chǎn)品提供參考依據(jù)。通過中興智能手機(jī)與整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)導(dǎo)航，移動(dòng)訂閱，環(huán)境監(jiān)控,標(biāo)簽識(shí)別，目標(biāo)感知與定位等功能。研究成果的產(chǎn)品將進(jìn)一步拓展手機(jī)的功能，可廣泛應(yīng)用在工商業(yè)，家居生活等多領(lǐng)域。

1總體方案

本項(xiàng)目是未來4G手機(jī)的概念平臺(tái)，手機(jī)作為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用網(wǎng)關(guān)使用，在設(shè)備接入控制與數(shù)據(jù)交互中需要使用大量的接入?yún)f(xié)議與數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過對(duì)協(xié)議建模與仿真實(shí)驗(yàn)，文中提出了多協(xié)議融合的技術(shù)方案，以便于智能手機(jī)平臺(tái)可在多種場(chǎng)合發(fā)揮作用。

本系統(tǒng)由智能移動(dòng)信息匯集終端和中興智能手機(jī)組成。通過無線網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集與傳輸多源數(shù)據(jù)。手機(jī)可根據(jù)需要對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與控制，使周圍的無線傳感器能與手機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。

本設(shè)計(jì)結(jié)合無線傳感器技術(shù)和嵌入式軟硬件技術(shù)，采用RFIDReader、無線傳感器終端模塊、Wi-Fi模塊、WAPI模塊、ZigBee模塊、GPS模塊以外部擴(kuò)展方式，確保利用中興智能手機(jī)平臺(tái)對(duì)周圍無線傳感器模塊的實(shí)時(shí)采集。本研究采用高精度電壓參考芯片為系統(tǒng)信號(hào)采集子系統(tǒng)提供參考電壓基準(zhǔn)，系統(tǒng)通過ZigBee模塊完成現(xiàn)場(chǎng)溫度、濕度等信息的感知；并采用藍(lán)牙Bluetooth(IEEE802.15)模塊實(shí)現(xiàn)評(píng)估板多源信息到中興智能手機(jī)的無線傳輸叫系統(tǒng)的主要支撐技術(shù)有嵌入式技術(shù)、無線局域組網(wǎng)技術(shù)、多協(xié)議處理、人機(jī)交互界面、RFID等，實(shí)現(xiàn)了以智能移動(dòng)平臺(tái)終端為核心的自動(dòng)化、信息化的多功能信息感知應(yīng)用系統(tǒng)。

2系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)的主要支撐技術(shù)有：嵌入式技術(shù)、無線局域組網(wǎng)技術(shù)、多協(xié)議處理、人機(jī)交互界面、RFID等，實(shí)現(xiàn)了以智能移動(dòng)平臺(tái)終端為核心的自動(dòng)化、信息化的多功能信息感知應(yīng)用系統(tǒng)。其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)雛形。

圖1       物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

在圖1的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，手機(jī)作為一個(gè)重要終端，通過藍(lán)牙設(shè)備到達(dá)網(wǎng)關(guān)設(shè)備，然后由網(wǎng)關(guān)設(shè)備對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、電子標(biāo)簽、3G網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi/WAPI網(wǎng)絡(luò)、北斗網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備之間進(jìn)行完美的網(wǎng)絡(luò)融合和技術(shù)革新，充分體現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物品通過射頻識(shí)別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別和管理這一物聯(lián)理念。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)分為軟件開發(fā)和硬件開發(fā)兩部分。

硬件模塊目前主要包括ARM9-S3C2440開發(fā)板、BC4RS232串口藍(lán)牙適配器、RC500非接觸式IC卡開發(fā)板、ZigBee模塊、M2M模塊、智能藍(lán)牙手機(jī)。開發(fā)板上的核心是ARM處理器，處理器中有裁剪的Linux系統(tǒng)和相應(yīng)的C語言程序，由于控制整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)以及處理各子網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。SDRAM和FLASH與S3C2440相連，用作緩存和存儲(chǔ)程序。分布在處理器周圍的藍(lán)牙無線傳輸接口，可通過虛擬串口通過藍(lán)牙技術(shù)與中興智能手機(jī)進(jìn)行通信。ZigBee模塊用于接收ARM處理器的指令，發(fā)送到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)返回的消息。RFID接口模塊［5-6］的作用類似于ZigBee的接口模塊，同樣用于接收處理器的指令和RFID網(wǎng)絡(luò)返回的消息，并發(fā)送給另外一端。中興Mu301通過USB接口與M2M模塊連接。手機(jī)端通過J2ME開發(fā)的JAVA虛擬機(jī)上的應(yīng)用程序利用藍(lán)牙的虛擬串口通信協(xié)議與開發(fā)板上的藍(lán)牙模塊接口傳遞消息。

嵌入式系統(tǒng)在開發(fā)過程一般都采用“宿主機(jī)/目標(biāo)板”開發(fā)模式，即利用宿主機(jī)(PC機(jī))上豐富的軟硬件資源及良好的開發(fā)環(huán)境和調(diào)試工具來開發(fā)目標(biāo)板上的軟件，然后通過交叉編譯環(huán)境生成目標(biāo)代碼和可執(zhí)行文件，通過串口/USB/以太網(wǎng)等方式下載到目標(biāo)板上，利用交叉調(diào)試器在監(jiān)控程序運(yùn)行，實(shí)時(shí)分析，最后，將程序下載固化到目標(biāo)機(jī)上，完成整個(gè)開發(fā)過程。在軟件設(shè)計(jì)上，為結(jié)合ARM硬件環(huán)境及ADS軟件開發(fā)環(huán)境所設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程圖。整個(gè)開發(fā)過程基本包括以下幾個(gè)步驟：

（1）源代碼編寫：編寫源C/C++及匯編程序；

（2）程序編譯：通過專用編譯器編譯程序；

（3）軟件仿真調(diào)試：在SDK中仿真軟件運(yùn)行情況；

（4）程序下載：通過JTAG、USB、UART方式下載到目標(biāo)板上；

（5）軟硬件測(cè)試、調(diào)試:通過JTAG等方式聯(lián)合調(diào)試程序；

（6）下載固化：程序無誤，下載到產(chǎn)品上生產(chǎn)。

3關(guān)鍵技術(shù)

本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程中，通常涉及以下一些關(guān)鍵技術(shù)：

（1）本項(xiàng)目需要通過藍(lán)牙技術(shù)，來實(shí)現(xiàn)手機(jī)平臺(tái)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信。研究手機(jī)平臺(tái)和網(wǎng)關(guān)模塊的通信機(jī)制，以及相關(guān)的協(xié)議的設(shè)計(jì)是一個(gè)關(guān)鍵問題；

（2）ZigBee協(xié)議棧在CC2430芯片上集成了Z-Stack的協(xié)議棧。因此，需要深入研究ARMLinux和ZigBee協(xié)議棧的深度結(jié)合機(jī)制；

（3）在本項(xiàng)目中，通過手機(jī)平臺(tái)讓用戶和ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互，如何設(shè)計(jì)手機(jī)平臺(tái)和ZigBee協(xié)議的交互機(jī)制是一個(gè)研究重點(diǎn)；

（4）RFID模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻標(biāo)簽的讀寫的功能。因此要解決ARMLinux和RFID閱讀器的結(jié)合問題，實(shí)現(xiàn)通過Linux平臺(tái)控制對(duì)RFID的讀寫等操作；

（5）基于ARMLinux和手機(jī)平臺(tái)，作為RFID信息過濾器和事件規(guī)則處理引擎的關(guān)鍵技術(shù)研究；

（6）研究ARMLinux和手機(jī)平臺(tái)，與中興TD-MU240模塊的集成機(jī)制；

（7）研究如何將應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的藍(lán)牙技術(shù)與RFID安全認(rèn)證技術(shù)有效結(jié)合。通過這項(xiàng)技術(shù)可以借助RFID快速安全建立藍(lán)牙連接；

（8）節(jié)能、可靠是無線傳感網(wǎng)關(guān)注的兩個(gè)重點(diǎn)，物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)能可靠路由協(xié)議研究也是本項(xiàng)目的一個(gè)關(guān)鍵。本項(xiàng)目提出一些路由協(xié)議可以有效減少無線傳感網(wǎng)絡(luò)的能耗、并提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性；

（9）針對(duì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的被動(dòng)故障檢測(cè)方法進(jìn)行研究。本項(xiàng)目采取基于匯聚節(jié)點(diǎn)被動(dòng)接收和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)故障診斷方法。

4應(yīng)用場(chǎng)景

本項(xiàng)目所研制的物聯(lián)網(wǎng)互操作平臺(tái)和動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有靈敏度高、實(shí)用性好、模塊化等特點(diǎn)，該技術(shù)的成功將增強(qiáng)智能手機(jī)的自動(dòng)化程度，大幅度擴(kuò)展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍，能在社會(huì)的各領(lǐng)域廣泛使用。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，可節(jié)省大量布線，減少資源的浪費(fèi)，從而為建設(shè)節(jié)約型社會(huì)做出積極貢獻(xiàn)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)在我國(guó)還屬于方興未艾的新事物，智能化手機(jī)集成的多項(xiàng)功能、手機(jī)作為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)未來會(huì)成為社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)，具有廣闊的市場(chǎng)空間。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，未來5年中國(guó)的智能化小區(qū)將以30%的速度增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)大中城市中的60%住宅要實(shí)現(xiàn)智能化。因此，可以預(yù)見，該預(yù)研項(xiàng)目涉及的新的手機(jī)產(chǎn)品具有廣闊的產(chǎn)業(yè)化前景。目前所要實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)示范性應(yīng)用分別是校園安全系統(tǒng)和機(jī)場(chǎng)智能領(lǐng)取行李系統(tǒng)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的校園安全演示系統(tǒng)，將先進(jìn)的射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）,無線傳感技術(shù)（ZigBee）與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合,打造一個(gè)立體化的安全網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采用RFID技術(shù)實(shí)時(shí)讀取學(xué)生信息，在校門、教學(xué)樓等地布點(diǎn)通過ZigBee技術(shù)形成自組織的多跳網(wǎng)絡(luò)，再由匯聚節(jié)點(diǎn)上傳獲取的信息，管理人員可通過手持設(shè)備在校園中隨時(shí)隨地查詢管理。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能領(lǐng)取行李系統(tǒng)，是將射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）、無線傳感技術(shù)（ZigBee）與互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,以便智能、高效地解決旅客在機(jī)場(chǎng)領(lǐng)取行李可能出現(xiàn)的問題。該系統(tǒng)憑借綁定在行李上的身份標(biāo)簽和可以作為讀卡器的手機(jī)，乘客下了飛機(jī)之后可以很容易地在繁多的行李中找到屬于自己的行李。并且領(lǐng)取行李之后，系統(tǒng)會(huì)匹配每個(gè)旅客的行李信息，避免出現(xiàn)少拿，多拿或者拿錯(cuò)行李的情況。

5參與團(tuán)隊(duì)介紹

本項(xiàng)目課題組長(zhǎng)期從事軟件中間件以及傳感/物聯(lián)網(wǎng)方面的研究，對(duì)傳感/物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，目前已完成或正在實(shí)施多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)的相關(guān)項(xiàng)目，包括自然科學(xué)基金和國(guó)家科技重大專項(xiàng)。撰寫了多篇包括藍(lán)牙通信安全，RFID身份驗(yàn)證，ZigBee網(wǎng)絡(luò)診斷等相關(guān)的專利，在IEEETransaction,ACMTransaction等期刊和國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表了30多篇論文［9-12］。目前還對(duì)移動(dòng)傳感/物聯(lián)網(wǎng)，移動(dòng)社會(huì)關(guān)系網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大量研究工作。

在課題組實(shí)施的項(xiàng)目中，“基于中興手機(jī)平臺(tái)的新一代物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得了2011年中興通訊產(chǎn)學(xué)研合作論壇年會(huì)“2010年優(yōu)秀合作項(xiàng)目”，并到深圳大梅沙參加表彰會(huì)。通過本項(xiàng)目的合作，進(jìn)一步提升了本課題組師生的研究水平,這為本項(xiàng)目的成功實(shí)施提供了有力保證。

本文的課題組和美國(guó)WayneStateUniversity、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等研究者一直保持交流和合作。目前有4名教師,有30多名研究生在實(shí)驗(yàn)室從事研發(fā)工作，團(tuán)隊(duì)研發(fā)能力較強(qiáng)。

本研究通過中興手機(jī)與整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的通信，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)導(dǎo)航，移動(dòng)訂閱，環(huán)境監(jiān)控，標(biāo)簽識(shí)別，目標(biāo)感知與定位等功能。研究成果的產(chǎn)品將進(jìn)一步拓展手機(jī)的功能，可廣泛應(yīng)用在工商業(yè)，家居生活等多領(lǐng)域。

6結(jié)語

2011年3月25日，經(jīng)陜西省工信廳批復(fù)，陜西省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟正式成立。陜西省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的成立，是陜西省大力扶持物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的又一重要舉措，有利于整合資源優(yōu)勢(shì),提升陜西省物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的知名度和競(jìng)爭(zhēng)力。在陜西省物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究中心的積極努力下，西安電子科技大學(xué)成為聯(lián)盟成員單位之一，陜西省物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)研究中心常務(wù)副主任張小平任聯(lián)盟副秘書長(zhǎng)和副理事長(zhǎng)。

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