復雜場景下無線監測系統的設計

高紹騰，曹自平，張金婭，王 巖

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.中國人民解放軍73685部隊，江蘇 南京 210000)

復雜場景下無線監測系統的設計

高紹騰1，曹自平1，張金婭1，王 巖2

(1.南京郵電大學 通信與信息工程學院，江蘇 南京 210003；2.中國人民解放軍73685部隊，江蘇 南京 210000)

針對復雜場景下對監測設備的較高要求，設計了一種通用型的無線監測系統。系統中的每一個傳感節點基于433 MHz ISM射頻頻段來完成數據的無線收發，并且在節點與節點之間設計了點對多點的自組網方法。收發節點先由Cortex-M3內核的單片機控制收發，然后把數據傳入到嵌有OpenWrt開源系統的網關中，在網關中完成串口數據與Socket數據的相互轉換，最后通過WIFI技術把采集數據傳入PC端進行監測與反向控制，并在開源視頻服務器軟件MJPG-streamer的框架結構下實現視頻采集?？蛻舳塑浖捎肅#語言進行編寫，除了簡單的界面顯示之外，主要完成網絡通信、數據處理、反向控制和監控界面顯示等功能，使該系統具有較好的監測功能以及人機互動功能。整個系統的功耗較低、便攜性較高、實用性強，可實現多點監測。

無線傳輸；自組網；多點監測；網關；視頻采集

0 引 言

隨著信息化的逐步深入，以及低功耗和高性能芯片的不斷推出，物聯網領域的應用前景愈加廣闊，低功耗嵌入式研究成為當下熱點。如今許多工業、農業或野外的監測場合對設備布線的要求越來越高，傳統的有線設備往往不具備通用性，而無線傳感網絡技術(WSN)具有低成本、移動性好、無需布線等優點，可應用于無法布線的場合以及對設備移動性要求較高的場合[1-6]。因此設計一種體積小、便攜性高、功耗低的通用性無線監測系統在數據采集方面將具有較好的實用性和靈活性[7-8]。

文中設計了一種節點之間自組網傳輸的無線監測系統。該系統的體積小、便攜性較高、功耗低，可用于多種場合。系統把傳感器節點采集的數據利用433M無線模塊接入到WIFI網關單元中，在移動設備上實現各種信息的匯總及處理。

1 系統方案與硬件設計

1.1 系統方案

系統的發送端與接收端均采用基于433M頻段收發的SI4432無線收發模塊，發送端通過Cortex-M3內核的STM32F103單片機控制，以自組網的形式構成點對多點的通信方式。通過單片機測量環境參數并發送數據。接收端通過STM32單片機控制433M模塊完成數據的接收。數據在網關單元完成串口協議與Socket協議的轉換，然后傳送給上位機。系統的整體設計框架如圖1所示。

在網關單元上添加了采用MJPG-Streamer開源框架的視頻監控。攝像頭的底部采用舵機控制，智能設備不僅可以監測到發送端的數據變化和反向控制，還可以自由調整攝像頭的角度，監測現場的視頻情況，適用于工業、農業以及野外探測等復雜場景下的工作。

圖1 系統框架

1.2 硬件設計

發送節點與接收端的控制芯片均采用Cortex-M3內核的STM32系列單片機，通過配置GPIO口的電平來驅動傳感器和433M模塊。兩端通過433M模塊進行組網數據傳輸，發送節點預留了多種型號傳感器的接口，可搭載電壓型、電流型以及數字型傳感器。圖2是兩端節點的硬件構成。

圖2 收發兩端的硬件設計

為了更好地實時監控周圍環境，系統中的攝像頭部分安裝了舵機，可以通過上位機來控制STM32單片機(接收端)產生不同的占空比信號。該信號可以改變舵機的旋轉角度。

2 自組網設計

2.1 組網結構

傳統433M無線收發模塊的通信方式為點對點通信，沒有組網能力。文中為防止多個節點在傳輸數據過程中產生競爭現象，通過自定義組網算法改成點對多點的層次化組網結構。在層次化組網結構中，按照分簇的思想，節點被分為兩大類：一類是簇內成員節點即普通的傳感分節點，另一類是用作傳感數據匯集的簇頭節點，也可稱為中心節點或主節點。傳感分節點將采集的傳感數據通過無線通信匯集到中心節點，中心節點再將數據傳給上層節點。層次化拓撲結構是無線傳感網絡中常用的拓撲結構。

針對無線傳感網絡對實時性、可靠性等特性的需求，提出一種適用于本設計的星簇型網絡拓撲結構。如圖3所示，圖中的拓撲結構可分成兩層，每一層都采用星形層次型拓撲的方式相連，由簇頭和簇內節點組成。第一層的簇內節點是由若干個傳感器采集節點組成，簇頭是由若干個中間轉發節點組成。第二層的簇內節點是由第一層的多個簇頭組成，簇頭則是與上位機相連的中心節點，也是終端節點[9]。

圖3 系統組網設計結構

2.2 組網的頻點選擇

在數據收發時，收發兩端的頻點設置必須一致，頻點起始值可以通過寄存器RF_FREQ_BASE(0x2F)配置，信道間隔由寄存器CH_SPACE(0x2F)配置，信道號可通過寄存器CHANNEL1～CHANNEL8(0x28～0x2B)配置。其中CHANNEL1為主信道號，CHANNEL2～CHANNEL8為從信道號，從信道號只在信道跳頻模式開啟后有效，信道號的取值可以從0到255。RF_FREQ_BASE寄存器設置值以100 kHz為單位，即起始頻點為RF_FREQ_BASE*100(kHz)。

CH_SPACE確定頻點間隔的方式為：

00：間隔為100 kHz；

01：間隔為200 kHz；

10：間隔為400 kHz；

11：間隔為800 kHz。

最終發送或接收的主信道的頻點值為：

(RE_FREQ_BASE+CHANNEL1*2CH_SPACE)*

100(kHz)

設置CH_SPACE值，將頻點間隔設置為100 kHz，主信道中心頻段為433 MHz。

2.3 定義數據包結構

考慮到該模塊在數據收發過程中可能會受到外界因素干擾，所以采用單跳數據傳輸的方式，每個傳感節點都有唯一的地址，并對發送節點和接收節點進行地址匹配，進而提高數據傳輸的實時性和可靠性[10]。

首先，每個無線模塊都有一個ID編號，用來標識每個模塊的來源地址。無線模塊在發送采集數據時會將此ID號寫入自定義數據包內，標識該數據的模塊來源，無線數據接收模塊在每次接收到數據后，單片機都要對發送模塊的ID號進行核準和判斷，以確定此次通信是自己需要的無線模塊發來的。數據包中ID編號的字節長度可以根據實際的模塊數量來確定。

3 系統網關單元的設計

3.1 網絡通信的程序設計流程

上位機采用C#語言進行設計，包括基本界面顯示、數據接收處理和實時監控顯示。其中最重要的設計環節為服務器端的異步網絡通信程序的編寫，其流程圖如圖4所示。

圖4 網絡通信設計流程

3.2 OpenWrt系統的部署

系統中網關單元的核心是一種移植了OpenWrt系統的路由器，核心處理器是AR9331。OpenWrt系統是以Linux源碼為基礎的一個嵌入式系統，其高度模塊化，使開發者能夠方便地將各種功能移植到該系統下[11-12]。在OpenWrt系統下安裝ser2net便可以實現Socket協議與串口協議之間的轉換。

OpenWrt系統的開發流程步驟為：

(1)創建Linux交叉編譯環境；

(2)創建uboot，編寫bootloader；

(3)移植Linux內核；

(4)創建分區，構建rootfs；

(5)安裝硬件驅動程序；

(6)安裝軟件工具包。

3.3 MJPG-streamer的構建

“MJPG-streamer”，是一個輕量級的視頻服務器軟件，利用某些硬件壓縮功能來降低服務器CPU的開銷，無需為視頻幀壓縮浪費大量的計算效率[13-15]。該軟件采用了模塊化的設計方法，各功能模塊都放在plugins文件夾下，這些功能模塊稱之為插件。用戶可以根據自己的需求自由選擇需要的模塊，這種模塊化設計簡化了視頻服務器軟件的移植。插件分為輸入插件和輸出插件兩大類。輸入插件主要包括input_uvc、input_testpicture、input_control等，輸出插件主要包括output_file、output_http、output_udp、output_viewer等。MJPG-streamer起到了粘合劑的作用，把這些輸入輸出插件連在一起，幾乎所有的功能都由這些插件來實現。

4 系統測試結果

4.1 節點的功耗

傳感節點工作在3 V電壓下進行測試。節點絕大多數時間處于低功耗模式，工作電流為8 μA，工作時間設為30 s；驅動433M無線模塊的電流為50 mA；發射數據時間為90 ms，電流為7 mA。

平均電流的計算公式為：

(1)

根據式(1)可計算節點平均電流：

得到節點的平均功耗為：

P=UI=90.9(μW)

4.2 節點的傳輸性能

路徑損耗和陰影效應會造成無線通信系統接收端的接收功率下降，甚至產生中斷。中斷率Pout可以表示為：

Pout(Pmin,d)=p(Pr(d)

(2)

即通信距離為d時，接收端的接收功率Pr(d)低于最小接收功率值Pmin的概率。

發送節點的傳輸距離和傳輸波特率會影響到接收端的P(r)，若低于Pmin，丟包率會迅速增加。因此分別在傳輸距離和波特率一定的情況下，測試系統總的丟包率。

測試傳輸距離時，波特率固定為1 200 bps；測試傳輸波特率時，距離固定為無障礙物190 m。

測試結果如表1和表2所示。

表1 節點的傳輸距離與丟包率的關系

表2 節點的傳輸波特率與丟包率的關系

信道的路徑損耗為發射功率和接收功率比值分貝數：

(3)

信號自由空間傳播的路徑損耗為：

(4)

可知接收端的接收功率與通信距離d的平方成反比，但是在200 m內，接收功率P(r)沒有低于Pmin，因此丟包率不明顯。一旦超過了200 m，P(r)

(5)

傳輸信號的頻率固定，即帶寬固定。隨著傳輸波特率的增加，信號的平均功率下降，則數據傳輸的最大速率也下降，因此系統的丟包率增大。

通過上述測試，本設計中單個傳感節點的傳輸距離在200 m以內、波特率采用1 200 bps,就可以實現較為可靠的傳輸。傳感器本身采集數據的數據量較小，因此采用1 200 bps波特率也可以滿足系統的傳輸速率。

5 結束語

文中設計的監測系統靈活性強，布線方便，二次開發容易，通用性強。測試結果表明，系統中的自組網節點功耗較低、節點之間干擾較少、數據收發穩定，可應用于多種復雜的場景。為了進一步提高數據傳輸的安全性，目前正在研究節點之間數據傳輸的加密算法。

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DesignofWirelessMonitoringSysteminComplexScene

GAO Shao-teng1，CAO Zi-ping1，ZHANG Jin-ya1，WANG Yan2

(1.School of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.Troop 73685 of PLA，Nanjing 210000,China)

Aiming at the high demand of the monitoring equipment in the complex scene,an universal wireless monitoring system is designed.Each sensor node in the wireless monitoring system completes the transmitting and receiving of data through 433 MHz ISM band radio frequency,and a point-to-multipoint ad hoc network method is used among these nodes.First of all,data in the transceiver node controlled by SCM (Single Chip Micyoco) with the Cortex-M3 microcontroller as its core is transmitted to the gateway embedded OpenWrt open-source system.Then,the interconversion between serial data and Socket data is carried out in the gateway.Finally,the collected data is ultimately transmitted to PC terminal for monitoring and reverse control by WIFI technology.In addition,the video capture is actualized in the MJPG-streamer framework,an open source video server software.The client software written by C#,in addition to simple interface display,is mainly for network communication,data processing,reverse control and monitoring interface display.Therefore,the system has better functions of monitoring and human-computer interaction,with low-power consumption,strong portability and high practicability,which can realize the multi-point monitoring.

wireless transmission;ad hoc network;multi-point monitoring;gateway;video capture

TP302

A

1673-629X(2017)12-0193-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.12.041

2017-01-16

2017-05-19 < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2017-09-27

教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-13-0871)；國家自然科學基金面上項目(61372044)；江蘇省高校自然科學研究重大項目(14KJA510002)

高紹騰(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為能量采集和嵌入式技術；曹自平，博士生導師，研究方向為能量自維護的物聯網及綠色無線傳感網技術。

http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170927.0958.060.html