基于 ARM-11 的野外 WSN 基站設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
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引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用大量廉價(jià)傳感器節(jié)點(diǎn)在目標(biāo)區(qū)域探測(cè)并回傳數(shù)據(jù),遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)處理并提供信息給決策者。監(jiān)測(cè)野外環(huán)境時(shí),因?yàn)椴豢赡茏龅酱笠?guī)模布線供給電源或傳輸數(shù)據(jù),所以有線傳感方案不可行,利用無(wú)線技術(shù)則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。野外環(huán)境不如室內(nèi)環(huán)境理想,影響無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)囊蛩夭豢煽?,可能?dǎo)致數(shù)據(jù)損失較多。在現(xiàn)有解決方案中單個(gè)節(jié)點(diǎn)丟包率是80%~90%,經(jīng)過(guò)多跳返回至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)少而且質(zhì)量差,不足以作為決策依據(jù),從而失去監(jiān)控意義。
既然單個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)不可靠,那么可以用一個(gè)較大但較為可靠的設(shè)備作為中繼基站,近距離高質(zhì)量地接收附近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),利用成熟可靠的技術(shù)回傳至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī),彌補(bǔ)現(xiàn)有解決方案的不足?;贏RM11的開(kāi)發(fā)板具有內(nèi)存大、計(jì)算能力強(qiáng)、性能優(yōu)異穩(wěn)定的特點(diǎn),適于充當(dāng)這里的中繼基站,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類發(fā)送和分方式發(fā)送,并且達(dá)到數(shù)據(jù)的一個(gè)定位功能,使傳感器網(wǎng)絡(luò)回傳的數(shù)據(jù)數(shù)量更多、質(zhì)量更好,使決策者了解的情況更加可靠,保證了監(jiān)控意義。
1基站
基站即公用移動(dòng)通信基站是無(wú)線電臺(tái)站的一種形式,是指在一定的無(wú)線電覆蓋區(qū)中,通過(guò)移動(dòng)通信交換中心,與移動(dòng)電話終端之間進(jìn)行信息傳遞的無(wú)線電收發(fā)信電臺(tái)。
基站包括宏基站、微基站、射頻拉遠(yuǎn)、直放站和室內(nèi)分布系統(tǒng)。宏基站一般有專用的機(jī)架,可以提供容量,容量大,需要機(jī)房,可靠性較好,維護(hù)方便。微基站可以看成是微型化的基站,將所有的設(shè)備濃縮在一個(gè)比較小的機(jī)箱內(nèi),可以方便安裝;同時(shí)微基站和宏基站一樣可以提供容量。射頻拉遠(yuǎn)是指將基站單個(gè)扇區(qū)的射頻部分用光纖拉到一定距離之外發(fā)射的設(shè)備,光纖拉遠(yuǎn)的基帶部分安放在原基站,可以和原基站的其他扇區(qū)共用CE等資源,可以提供容量。直放站是一種信號(hào)中繼器,對(duì)基站發(fā)出的射頻信號(hào)根據(jù)需要放大,本身不能提供容量,其應(yīng)用環(huán)境主要包括覆蓋不好且容量要求比較小的區(qū)域和容量要求比較小的廣域覆蓋。
應(yīng)用最廣泛的直放站包括無(wú)線直放站和光纖直放站兩大類,其中的區(qū)別主要是施主基站的信號(hào)通過(guò)無(wú)線途徑還是光纖傳播到直放站。室內(nèi)分布系統(tǒng)通過(guò)將宏基站、微基站和直放站等的射頻輸出信號(hào)為信號(hào)源引入到需要覆蓋的室內(nèi)環(huán)境,來(lái)提高室內(nèi)覆蓋性能,本身不能提供容量,包括有源和無(wú)源兩類產(chǎn)品。
2自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)框圖如圖1所示,以ARM-11開(kāi)發(fā)板為核心接收節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù),并加載GPRS模塊和3G模塊來(lái)實(shí)施傳輸。接收的數(shù)據(jù)以文本形式和多媒體圖片形式進(jìn)行儲(chǔ)存,文本通過(guò)2G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端手機(jī),多媒體圖片通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端PC。下面分別從文本、多媒體及數(shù)據(jù)類型的判定三個(gè)方面進(jìn)行說(shuō)明。
圖1 自適應(yīng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)框圖
2.1文本
文本中存儲(chǔ)的是節(jié)點(diǎn)采集的當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度、光照等信息,通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至ARM-11開(kāi)發(fā)板,文件結(jié)尾以.txt為后綴名。文本存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)相對(duì)比較小,將借助GPRS模塊,通過(guò)2G網(wǎng)絡(luò)傳輸至手機(jī)終端,手機(jī)將會(huì)以短信的形式接收到信息。這樣,既能夠達(dá)到傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度,對(duì)網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷也相對(duì)較小。
2.2多媒體
多媒體數(shù)據(jù)是節(jié)點(diǎn)采集的當(dāng)?shù)刂苓叺牡乩硇畔?,以圖片的形式,通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至ARM-11開(kāi)發(fā)板,文件結(jié)尾以jpg為后綴名。文件存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)相對(duì)比較大,將借助3G模塊,通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端PC,PC將會(huì)以郵件附件的形式接收到信息。這樣,既能夠保證圖片的傳輸速度和質(zhì)量,也能夠充分利用3G網(wǎng)絡(luò)對(duì)大文件的傳輸優(yōu)越性,做到網(wǎng)絡(luò)的充分利用。
2.3數(shù)據(jù)類型判定
要做到數(shù)據(jù)的自適應(yīng)傳輸,也就是上面所說(shuō)的文本數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)分別以2G網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端,這里采用的是從文件的后綴名對(duì)文件一一進(jìn)行判定。如果遇到后綴名為.txt,則歸類為文本文件,通過(guò)2G網(wǎng)絡(luò)傳輸,同樣,若后綴名為.jpg,則歸類為多媒體文件,通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)傳輸,因此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸。
具體過(guò)程如下:
對(duì)文件逐個(gè)取地址。
判定。if(filename.endsWith(".txt"))即文件后綴名是否為.txt。若判定為是,則判定其為文本數(shù)據(jù),繼而調(diào)取短信發(fā)送函數(shù)發(fā)送。
若第2步判定為非,則if(filename.endsWith(".jpg"))即判定文件名是否以.jpg為結(jié)尾。若判定為是,則文件為多媒體數(shù)據(jù),繼而通過(guò)郵件發(fā)送函數(shù)發(fā)送。
若第⑶步判定為非,則文件錯(cuò)誤,跳過(guò),繼續(xù)取下一文件地址。
3測(cè)試
測(cè)試的重點(diǎn)是自適應(yīng)傳輸。測(cè)試的環(huán)境選在西北大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院外的樹(shù)林中。主要流程如下:
布置10個(gè)節(jié)點(diǎn),其中5個(gè)采集溫度、濕度、光照,5個(gè)采集多媒體數(shù)據(jù);
搭建好基站初始化系統(tǒng),發(fā)送采集到的文件;
終端查收文件。
基站初始化界面如圖2所示,本系統(tǒng)的主要信息為基站名稱、接收信息的手機(jī)號(hào)碼、接收郵件的郵箱地址以及采集到當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)值。此外,還有相關(guān)的控制按鈕。
圖2 基站初始化主界面
圖3所示是所采集的數(shù)據(jù)縮略圖,其中讀取的位置為開(kāi)發(fā)板上外插的SD卡,從圖中左側(cè)可以得到所發(fā)文本和多媒體文件的信息。然后開(kāi)始發(fā)送。
圖3 采集數(shù)據(jù)列表
在接收端,首先觀察終端手機(jī)接收情況,圖4所示是終端手機(jī)短信圖??梢?jiàn),其成功收到基站發(fā)送來(lái)的8條短信,并正確接收到了短信內(nèi)容,得到該地溫濕度值,時(shí)延為30~50s。圖5所示是觀察到的郵件接收情況,同樣也成功接收到8封郵件,從中選取一封郵件閱讀的圖像如圖6所示。可見(jiàn),圖片信息完整,以郵件附件的形式發(fā)送得到,郵件正文為當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)值,與預(yù)期結(jié)果一致,時(shí)延為40~60s。最后,得到如圖7所示的發(fā)送日志
從這次發(fā)送的發(fā)送日志,可以清晰地得到這次發(fā)送成功與否的告知。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文講述了將 2G 網(wǎng)絡(luò)和 3G 網(wǎng)絡(luò)融合在 ARM-11 開(kāi)發(fā)板上組成一個(gè)基站,然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)采集野外的溫、濕度、光照和圖片等信息,傳輸至中繼基站,進(jìn)而傳遞至終端。該方法可降低野外的惡劣環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?,增加?shù)據(jù)的可靠性,減少因過(guò)多重發(fā)帶來(lái)的效率不高的問(wèn)題。同時(shí),對(duì)于不同類型數(shù)據(jù)采取自適應(yīng)傳輸,也大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸,從而達(dá)到對(duì)有限的網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行充分利用的目的。此外,本方法也能夠?qū)Σ杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行定位,同時(shí)又利于決策者對(duì)數(shù)據(jù)的了解掌握。
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