基于Contiki的遠程環境監測支撐系統

朱廣華 華江峰 徐頔

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714126

摘要：本文基于MX231CC平臺和USBStick平臺，采用Contiki嵌入式操作系統，設計并實現了適用于目的環境實時監測的支撐系統。敘述了系統的總體設計方案、軟硬件架構以及異構網絡間數據傳輸的過程。從技術角度為需要實時周邊生產環境信息的產業提供生產管理決策依據。

關鍵詞：Contiki；環境監測；異構網絡

無線傳感器網絡是一種新穎的信息獲取和處理方式，它集成無線通信技術、網絡技術、嵌入式技術和傳感器技術等。傳感器節點間可以合作地感知和采集各種監測對象參數或環境的信息，并反饋給用戶。用戶可以依據反饋數據制定生產管理策略，從而提高生產率，并降低因生產環境驟變帶來的損失。

1 系統設計思想

筆者所設計的此環境監測支撐系統，目的是能夠在任何地理位置實時監測目的環境參數。整個系統基于物聯網的概念設計，其中涉及到傳感器技術、嵌入式技術以及無線通信技術等[1]。系統通過采用無線傳感器，完成實時感知周圍環境參數，這些數據通過無線傳輸方式被發送，并以自組織多跳的網絡方式傳送至服務端進行持久化。

2 系統整體架構

2.1 系統架構模型分析

在物聯網技術層面上可以將本系統分為三部分：應用層、傳輸層以及感知層[2]。應用層負責請求數據、數據處理、數據持久化以及數據發布。傳輸層涉及到網關節點，主要完成自組織多跳網絡初始化、異構網絡的協議轉換以及數據傳輸。感知層涉及底層的無線傳感器節點，主要完成響應數據請求和數據采集。

2.2 系統總體架構設計

遠程環境監測支撐系統包括基于Contiki的傳感器節點模塊、傳輸網關模塊、上層數據管理軟件。傳感器節點將采集到的數據按照IEEE802.15.4協議傳輸至網關模塊，網關解析出相關數據并轉發給上層支撐軟件，支撐軟件將數據持久化，進而為遠程的客戶端提供數據請求支持。

3 傳感網硬件

3.1 感知層節點

MX231CC是SmeshLink推出的面向Contiki和6LoWPAN開發的無線傳感器網絡節點，工作在2.4G頻段，采用序列擴頻技術，具有較好的抗干擾能力，MX231CC無線節點具備較大的RAM空間特性，能夠適合Contiki開發中較大規模組網的要求[3]。

MX231CC上運行的是Contiki操作系統，節點上電時，會啟動一個HTTP進程，使得節點上部署一個基于REST風格WEB服務器[4]。Contiki內核通過輪詢機制和任務搶占機制完成對進程的調度。

3.2 傳輸層網關

本系統采用的網關是USBStick，其基于Contiki系統，并集成RPL路由協議。USBStick用于連接節點與傳感網絡外部設備，使用的平臺是mxusbstick。網關節點與PC機在串口硬件上通過SLIP（Seerial Line Internet Protocol）協議傳輸IP數據報文[5]。網關模塊實現異構網絡間的協議轉換，具體到本系統是完成TCP/IP協議棧到6LoWPAN協議棧的轉換[6]。網關模塊與PC終端間的交互最終依據SLIP協議實現，此協議將網關模塊虛擬成一塊IPV6網卡，進而實現點對點通信，Contiki系統中通過tunslip6腳本實現SLIP協議功能。

4 系統實現

遠程環境監測支撐系統適用于需要進行環境參數監測的產業中，且底層節點支持功能擴展，可以根據具體需求集成其它類型的傳感器。本次實驗在室內完成，實驗結果表明，可以達到數據采集，數據持久化至數據庫的目的。

系統軟件實現：

支撐軟件主要用來通過網關節點向傳感器節點定時發送HTTP請求，并解析HTTP響應中的XML格式數據，最后完成持久化數據至數據庫。另外，完成節點信息的錄入和更新。

利用IE9瀏覽器訪問節點后返回的XML格式的數據如圖1所示，其中Light標簽表示實時光照強度，Temperature標簽表示實時攝氏溫度值，Voltage標簽表示傳感器節點實時電量。支撐軟件運行如下圖2所示。

5 結論

本系統實現了對生產環境的實時遠程監測提供數據支撐，為生產環節提供了決策依據，從而使得生產管理更為科學化、規范化，進而提高生產率，降低因生產環境驟變帶來的損失。系統基于模塊化設計，因此可以根據需求在數據采集節點上搭載其他的傳感器設備，從而為監測其它環境參數提供功能擴展的可能。不過，由于硬件平臺一般沒有統一的接口，那么如果需要進行功能擴展，勢必要進行二次開發。

參考文獻：

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[6]Dunkels A，Gronvall B，Voigt T.Contikia lightweight and flexible operating system for tiny networked sensors.Local Computer Networks[C].Washington，USA：IEEE，2004：455462.