文/四川省成都市電子科技大學(xué) 易琪淙 武文斌 周鑫 史治平

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)建立的遠(yuǎn)程信息傳輸系統(tǒng)，是未來物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文提出了一種簡單易行的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)建立方案，設(shè)備方面，該方案采用ZICM2410模塊作為傳感器節(jié)點(diǎn)，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過融合網(wǎng)關(guān)，通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程信息的傳輸。技術(shù)方面，該方案利用Web優(yōu)勢，采用串口通信技術(shù)、虛擬服務(wù)器、DDNS、IIS、ASP.NET等技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

前言

在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，任何一個(gè)物體都有自己獨(dú)特的可被識(shí)別的標(biāo)志，通信方式將由傳統(tǒng)的人與人形式轉(zhuǎn)變成人與物、物與物形式，人類社會(huì)也將進(jìn)入一個(gè)全新的通信時(shí)代。現(xiàn)有的通信主要是人與人的通信，目前全球的通信用戶已經(jīng)接近于飽和，發(fā)展空間有限。而物聯(lián)網(wǎng)涉及的通信對(duì)象更多的是“物”，如果這些所謂的“物”都納入物聯(lián)網(wǎng)通信應(yīng)用范疇，其潛在可能涉及的通信連接數(shù)可達(dá)數(shù)百億個(gè)，為通信領(lǐng)域的擴(kuò)展提供了巨大的空間。

隨著無線移動(dòng)通信的發(fā)展，特別是3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，頻帶越來越寬、傳輸速率逐步提高、業(yè)務(wù)種類增多、使用更加方便、傳輸質(zhì)量更好，使得基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)受到廣泛的重視。并且，也只有蜂窩網(wǎng)絡(luò)能實(shí)現(xiàn)無所不在的接入。因此，本文設(shè)計(jì)了一種蜂窩網(wǎng)絡(luò)和無線傳感網(wǎng)的融合方案，將蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為無線傳感網(wǎng)匯聚信息的傳輸通道。另外，該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組建簡單易行，性能穩(wěn)定，能夠在大多數(shù)環(huán)境下工作，可以作為其他科學(xué)研究的遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 無線傳感網(wǎng)

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)部分是物聯(lián)網(wǎng)中的“最后一公里”，它的重要性不言而喻，傳感網(wǎng)作為數(shù)據(jù)采集和指令執(zhí)行的終端，使用串口通信技術(shù)和Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

1.1  傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)

ZICM2410模塊是基于集成CPU的單片Zigbee芯片所設(shè)計(jì)的模塊，如圖1所示，為Zigbee網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)高性能、低成本的射頻收發(fā)方案。其內(nèi)核ZICM2410是一個(gè)真正的單芯片解決方案，遵從Zigbee規(guī)范和IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它是一個(gè)含有基帶modem的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內(nèi)嵌8051內(nèi)核的微控制器。利用該模塊組成具有溫度采集和蜂鳴報(bào)警等基本功能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)檢測周圍環(huán)境的溫度和產(chǎn)生警報(bào)。

圖1 ZICM2410模塊

1.2  傳感網(wǎng)組網(wǎng)

在傳感網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)按功能可分為主節(jié)點(diǎn)（也稱為匯聚節(jié)點(diǎn)）和從節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，作為全功能設(shè)備,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和維護(hù)、采集數(shù)據(jù)無線接收、與本地服務(wù)器串口通信。從節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)溫度采集、蜂鳴報(bào)警和數(shù)據(jù)無線傳輸，可以作為簡化功能設(shè)備,以降低功耗和成本。

本文設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用簡易的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立了一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，三個(gè)從節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖2  星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式

一方面，各個(gè)從節(jié)點(diǎn)的溫度傳感器定時(shí)采集環(huán)境溫度，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)依次向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，主節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后通過RS232再發(fā)送給本地服務(wù)器；另一方面，主節(jié)點(diǎn)接收用戶的指令，將相應(yīng)指令傳達(dá)給自身和從節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行蜂鳴報(bào)警的功能，從而實(shí)現(xiàn)雙向控制。

2 無線傳感網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)的融合

為了使無線傳感網(wǎng)在任何地點(diǎn)均能傳輸有用數(shù)據(jù)，所以必須通過蜂窩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無所不在的接入，設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3  設(shè)計(jì)方案

無線傳感網(wǎng)通過RS232連接服務(wù)器，同時(shí)，服務(wù)器通過EVDO路由器接入蜂窩網(wǎng)，整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)利用EVDO路由器進(jìn)行融合。整個(gè)系統(tǒng)中，路由器、服務(wù)器和傳感器主節(jié)點(diǎn)構(gòu)成融合網(wǎng)關(guān)，EVDO路由器再通過移動(dòng)通信基站接入廣域網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能。整個(gè)設(shè)計(jì)方案采用B/S模式，建立基于 Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控及信息平臺(tái)框架，實(shí)現(xiàn)任意客戶端對(duì)無線傳感網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。服務(wù)器端通過EVDO接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，擺脫了有線的束縛，真正實(shí)現(xiàn)了無縫接入。因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠在任何有3G覆蓋的區(qū)域正常工作?？蛻舳藙t可以通過WLAN、PPPOE、以太網(wǎng)等方式接入互聯(lián)網(wǎng)，最后再通過DDNS、虛擬服務(wù)器等技術(shù)便可方便地訪問服務(wù)器和監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)^[2]。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)集溫度采集、蜂鳴控制、數(shù)據(jù)查詢于一體，主要由服務(wù)器監(jiān)控、無線傳感網(wǎng)組成。具有內(nèi)部IP地址的計(jì)算機(jī)作為控制主機(jī)，利用IIS搭建為服務(wù)器，通過虛擬服務(wù)器技術(shù)，外網(wǎng)用戶通過動(dòng)態(tài)域名訪問由ASP.NET設(shè)計(jì)的控制界面，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程溫度采集，蜂鳴報(bào)警控制，歷史事件查詢等功能^[5]。以下將對(duì)IIS服務(wù)器搭建、虛擬服務(wù)器設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)域名解析、ASP.NET控制界面設(shè)計(jì)分別詳述。

3.1  服務(wù)器搭建

IIS（Internet Information Server，互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)）是一種Web（網(wǎng)頁）服務(wù)組件，是Windows操作系統(tǒng)自帶的互聯(lián)網(wǎng)基本服務(wù)，它使用方便，適合于數(shù)據(jù)量不大的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，便于搭建小型服務(wù)器，在此作為首選方案。IIS意味著PC用戶能發(fā)布網(wǎng)頁，并且由ASP.NET產(chǎn)生頁面。默認(rèn)情況下，IIS未開啟，需要首先添加“Internet信息服務(wù)（IIS）”組件。

3.1.1  虛擬服務(wù)器設(shè)計(jì)

根據(jù)先前設(shè)計(jì)的無線傳感網(wǎng)與移動(dòng)網(wǎng)融合方案，服務(wù)器通過EVDO路由器接入蜂窩網(wǎng)絡(luò)，路由器具有公網(wǎng)IP地址，而具有控制功能的服務(wù)器使用私有IP地址。在這種情況下，虛擬服務(wù)器功能是非常實(shí)用的，它可以把用戶私網(wǎng)內(nèi)的服務(wù)器讓Internet上的用戶進(jìn)行訪問，從而實(shí)現(xiàn)在私網(wǎng)內(nèi)設(shè)立公共服務(wù)器的目的。圖4體現(xiàn)了路由器虛擬服務(wù)器技術(shù)的過程。

圖4 虛擬服務(wù)器

虛擬服務(wù)器定義了廣域網(wǎng)服務(wù)端口和局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間的映射關(guān)系，所有對(duì)該廣域網(wǎng)服務(wù)端口的訪問將會(huì)被重定位給通過IP地址指定的局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。通過虛擬服務(wù)器技術(shù)，可以使用普通計(jì)算機(jī)充當(dāng)服務(wù)器，避免了昂貴的開銷。

3.1.2  動(dòng)態(tài)域名解析

動(dòng)態(tài)域名解析服務(wù)，簡稱DDNS（Dynamic Domain Name Server），是將用戶的動(dòng)態(tài)IP地址映射到一個(gè)固定的域名解析服務(wù)上，用戶每次連接網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，客戶端程序就會(huì)通過信息傳遞把該主機(jī)的動(dòng)態(tài)IP地址傳送給位于服務(wù)商主機(jī)上的服務(wù)器程序，服務(wù)程序負(fù)責(zé)提供DNS服務(wù)并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名解析。就是說DDNS捕獲用戶每次變化的IP地址，然后將其與域名相對(duì)應(yīng)，這樣域名就可以始終解析到非固定IP的服務(wù)器上，互聯(lián)網(wǎng)用戶通過本地的域名服務(wù)器獲得網(wǎng)站域名的IP地址，從而可以訪問網(wǎng)站的服務(wù)。

3.2  ASP.NET控制界面設(shè)計(jì)

基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在VS2010環(huán)境下采用C#和ASP.NET技術(shù)^[3]編寫前臺(tái)頁面，完全基于B/S結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可使用戶輕松實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)維護(hù)，擺脫了傳統(tǒng)C/S結(jié)構(gòu)復(fù)雜的情況。后臺(tái)數(shù)據(jù)庫采用SQL Server^[4]，客戶端使用IE瀏覽器。

本系統(tǒng)主要功能包含蜂鳴報(bào)警、溫度采集、用戶注冊、登錄子系統(tǒng)和歷史事件查詢等功能，以實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的溫度監(jiān)測，并能在最短時(shí)間內(nèi)蜂鳴報(bào)警，達(dá)到保障安全的目的，同時(shí)，用戶可以通過自己的用戶名和密碼登錄，查詢歷史事件。另外，本系統(tǒng)還在用戶登錄系統(tǒng)時(shí)，設(shè)有系統(tǒng)公告部分，用于公告最新消息，為滿足用戶的日常需要，還提供了時(shí)間顯示，常用鏈接等其他功能。

4 結(jié)論

比較于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，基于蜂窩網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)避免了種種弊端。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的大面積覆蓋，監(jiān)控設(shè)備可以擱置在任意地點(diǎn)工作，管理人員不必親臨現(xiàn)場，遠(yuǎn)程即可對(duì)現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行監(jiān)視，大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，充分利用了異地資源和物力資源，具有安全、方便等優(yōu)越性。本方案搭建方便，組網(wǎng)簡單，性能穩(wěn)定，適合作為后續(xù)科研的工作平臺(tái)，具有一定的實(shí)用價(jià)值，其基本模型必將應(yīng)用到更多的領(lǐng)域，滿足人們更多的需求。