基于物联网的无线传感网络平台

摘要：基于物联网在物体感知方面的应用、拓展整个互联网的感知范围，创建一个全新的基于物联网的网络平台，该网络由多个传感节点和一个基站组成，其中节点的中央控制器为Cortex-M0、基站的中央控制器为Cortex-A9，自主开发的无线链路层协议以及网络控制层协议确保整个网络的稳定运行，应用范围十分广泛如智能家居、智慧物流、智慧停车场等。该网络覆盖范围广、节点功耗低、网络稳定性以及可靠性好.

关键词：Linux；Cortex-A9；物联网；智慧城市

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）06-0021-03

Wireless Sensor Network Platform Based on Internet of Things

HU Jiang-bo，YAN Huan

（School of Electronic and Electrical Engineering， Wuhan Textile University， Wuhan 430000， China）

Abstract： the application of machine to machine base on Internet of things， expanding the scope of the entire perception of the internet， creates a new web platform. The network consists of multiple sensor nodes and a base station in which the central controller node is Cortex-M0 and the central control station Cortex-A9，self-developing wireless link layer protocol as well as network control layer protocol to ensure the stable operation of the entire network. This Platform can be applied to many directions. Such as smart home， wisdom logistics， wisdom parking， wide coverage， low-power of node， good stability and reliability.

Key word： linux；cortex-a9；internet of things；smart city

随着物联网技术的兴起，国家也推出“感知中国”的口号大力推进物联网技术在国内发展。由此大研究机构以及企业组织都大力投资物联网相关的技术，世界范围内也有各大联盟开始定义物联网传输的各种协议。在设计这个网络时就利用了欧洲比较流行的物联网传输协议（LORA），此网络平台的创新点在于：1）自主设计的无线链路协议以及网络控制协议确保网络的稳定运行；2）基站的覆盖范围广，节点的无线射频信号的稳定信息传输范围可以达到3Km，这是蓝牙、ZigBee技术难以达到的，最大限度的拓宽传感节点的感知范围；3）传感节点的低功耗，传感节点待机功耗最低可达3uA，尽量延长电池使用寿命降低使用成本。

1 网络架构

整个系统如图1 所示分为两部分，第一、传感节点；第二、基站。整个网络拓扑结构为星型，由多个节点和一个协调器组成且节点与节点间无法通信，基站可以与网络内的所以节点通信，节点与节点间的通信只能通过基站进行。

2系统硬件设计

2.1 基站

如图2所示，基站主控CPU采用Cortex-A9处理器（三星Exynos 4412），Cortex-A9为基于ARM架构的处理器，有强悍的事务控制能力以及不俗的运算处理能力，还有非常丰富的GPIO接口以及SPI，IIC等总线接口，而此处的无线射频模块与CPU的通信都是基于SPI总线进行，CPU上主要运行经裁剪的Linux 内核。通过内核来管理整个基站平台软件的运行，大大降低了软件开发成本和缩短软件开发周期，我们只需要开发出独立的SX1276外设驱动软件以及应用层软件即可。

射频模块采用2颗Semtech SX1276芯片，分别为RF0和RF1，两个RF单元工作在同一个频点，采用2根独立的天线。SX1276射频模块有着十分强悍的通信能力，十分突出的低功耗性能，最主要的是通过扩频调制的方式其信号覆盖范围比较广，在低速情况下高达5Km的覆盖范围，十分符合此处开发的无线传感网络平台的要求。且SX1276上有着丰富的外接口，如GPIO接口、SPI接口、IIC接口等。

Exynos4412通过SPI总线对Sx127x进行状态切换和收发控制，Sx127x通过终端信号和状态指示通知Exynos4412当前工作状态。

2.2 节点

如图3所示，节点的主控CPU为Cortex-M0 （DA14580），拥有多个GPIO管脚以及SPI和IIC总线接口，方便外接各种传感器如温湿度传感器、陀螺仪等，射频采用1个Semtech SX1276芯片。

DA14580通过SPI总线对Sx1276进行状态切换和收发控制，Sx1276通过终端信号和状态指示通知DA14580当前工作状态。

3 无线链路协议介绍

首先介绍该小节之前我们先解释几个概念：Radio Link Protocol 简称RLP，即无线链路层协议， HAL表示硬件抽象层，那么RLP HAL 即为无线链路协议的硬件抽象层。

3.1 物理层定义

1） 基站用频分组网；

2） 系统多址方式：TDMA；

3） 提供不低于14dBm的最大发射功率；

4） 接收灵敏度可达-146dBm；

5） 满足覆盖范围不低于3公里的链路预算。

功能要求：

1） 节点支持上下行双向通信；

2） 支持竞争抢占和非竞争抢占的两种通信模式；

3） 支持数据的加密；

4） 支持节点的接入、注册、认证和切换；

5） 用户可以获得每个终端的信息和状态，包括类型、休眠/运行时间、在线/离线、数据流量、速率等级、优先级等；

6） 用户可以设置每个终端的优先级、速率等级、定时上报间隔等参数；

7） 单基站可以允许接入不少于1000个节点。

从简单起见，此处非竞争抢占暂时不做介绍。

3.2 RLP 组成和接口

整个RLP组成和接口如图4所示：

即在节点端通过RLP协议将传感器获知的初始信息上行传递给基站的端，基站端向节点传输的信息也通过RLP协议下行传送到节点端。

4 系统软件设计

如图5所示，整个系统软件分为两部分，节点端和基站端。二者全部都是用C语言编程实现的，节点端无操作系统整个软件架构比较简单，详细软件系统如下图所示。

首先分析节点部分，节点的物理架构从下往上依次是：传感器（温湿度传感器）、gps模块、无线射频模块（SX1276），DA14580中央处理器；软件架构则是：传感器驱动模块、SX1276驱动模块，无线链路层的硬件抽象层、无线链路层模块，应用软件。

基站部分，基站物理架构从下往上一次是：无线射频模块（SX1276），CPU（三星exynos4412）；

软件架构：SX1276驱动模块，操作系统层（Linux），无线链路硬件抽象层，网络控制层，应用层。

节点与基站端的通信是通过无线射频模块（SX1276）来进行，节点与基站通信必须遵循无线链路层协议（RLP）。

4.1 节点端

节点端的工作模式主要有：休眠、待机、工作。其中休眠状态下，节点端的外设均处于休眠状态，节点本身也处于休眠状态，只有基站端额信号能够唤醒。

待机状态：节点端的CPU 正常工作，节点外设传感器均处于休眠状态等待基站端的进一步命名才进行状态切换。

工作状态：节点端CPU正常工作，外设传感器正常工作采集信息并进行信息的传输。

大多数情况下节点处于休眠状态以降低节点功耗。

4.2 基站端

此处我们仍旧先解释几个概念，NCP （网络控制协议）、NMP（网络管理协议）。这两处协议主要是外接到云服务器的接口，与内网关联不大，此处不做过多介绍。

基站应用程序的功能模块划分如下图6所示。

程序分为四个模块，即四个处理线程：

主线程：实现程序的初始化，包括收发器设备的初始化，软件数据结构的初始化，和NMP建立网络连接并注册等，然后创建另三个处理线程。

RLP数据下发模块：该线程负责向终端下发数据，包括：基站定时下发信标帧，用于终端和基站的时钟同步； RLP交互处理模块处理完成后需回传给终端的确认命令；NMP需透传到终端的命令。

RLP接收处理模块：接收终端上传的数据，解析并执行对应的操作：对于发往基站的数据，解析并执行相应的处理流程（如终端的接入请求），处理完成后将确认数据交给RLP数据下发模块发送到终端；对于发往NMP的数据，使用NCP协议打包后转发到NMP。

NCP交互处理模块：1）接收NMP下发的数据，解析并执行对应操作：对于发往终端的数据，将数据交给RLP数据下发模块路由到对应节点终端；对于发往基站的数据，直接解析执行对应操作（如基站工作参数设置等）。2）将基站需上传到NMP的数据（如基站注册请求）或终端需透传到NMP的数据传输到NMP。

5 网络功能测试

完成全部软硬件的开发工作后，我们先测试了节点端的功耗，在待机时的工作电流最低为3微安。节点端的工作电流最大为3毫安。跟预期的要好。

然后我们单独测试无线射频模块信号的覆盖范围，我们先配置一个节点端A，A每隔1秒中在特定的频率下发送10个字节的数据，然后再拿着节点B，B配置为一直接收信息的状态。B节点设置为信息通过串口向PC端打印出来，统计B在移动过程中的丢包率。

由于我们的应用主要基于低速信息传输。故而此处码率设置为178 byte/s。测试结果：1、同一水平面范围内的覆盖距离为3Km 左右；2、若将其中的接受端B架到楼顶，则覆盖范围可达5Km左右，大大超乎预期。

最后我们将基站配置好，并在基站端内置3G模块，来使得基站能够与云服务器互联，然后将基站置于室外各种场景中，在其一公里的范围内随机的分布节点端的设备。通过服务器平台能够快速准确的访问到各个节点，并实时的检测各节点的温湿度数据、以及经纬度等数据。最后确定在以基站为中心，半径1公里的范围内分布节点组网时，整个网络的稳定性最好，丢包率最低，整个测试结果明显由于之前的预期。

6 总结

该平台基于物联网，通过自组网的形式成功的开发出了一个低速、低功耗、覆盖范围管的传感网络，且后期升级到云端互联也十分容易，该网络可靠性强、性价比高、且能够在各种实际应用场景如：森林防火、智慧城市、智慧交通、智慧物流中，发挥实际作用，目前市场上类似的网络平台大多基于ZigBee，蓝牙、WIFI等，覆盖距离都比较局限。而该网络平台则大大拓宽了整个网络的覆盖距离、降低了整个设备的功耗。并且后期可以为云计算、大数据挖掘提供源源不断的实时数据，应用前景十分广阔，可以大大推进“智慧城市、智慧交通、智慧物流的”进程。

参考文献：

[1] 彭力.基于案例的物联网导论[M].北京：化学工业出版社， 2012.

[2] 王志良，王粉花.物联网工程概论[M].北京：机械工业出版社， 2011.

[3] 石志国，王志良，丁大伟.物联网技术与应用[M].北京：清华大学出版社， 2012.

[4] 詹青龙，刘建卿.物联网工程导论[M].北京：清华大学出版社， 2012.

[5] 董荣胜. 计算机科学导论―思想与方法[M]. 北京：机械工业出版社， 2007.

[6] 陈国良.计算思维导论[M].北京：高等教育出版社， 2012.

[7] 彭力.基于案例的物联网导论[M].北京：化学工业出版社， 2012.

[8] 王志良，王粉花.物联网工程概论[M].北京：机械工业出版社， 2011.

[9] 石志国，王志良，丁大伟.物联网技术与应用[M].北京：清华大学出版社， 2012.