基于 ARM-11 的野外 WSN 基站設(shè)計(jì)與開發(fā)

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。基于ARM11的開發(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2G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端手機(jī)，多媒體圖片通過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)氐臏囟取穸?、光照等信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至ARM-11開發(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WiFi網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至ARM-11開發(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3G網(wǎng)絡(luò)傳輸，因此實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)傳輸。

具體過程如下：

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，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?，其成功收到基站發(fā)送來的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，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 開發(fā)板上組成一個(gè)基站，然后通過節(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，減少因過多重發(fā)帶來的效率不高的問題。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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