基于Contiki的远程环境监测支撑系统

朱广华 华江峰 徐頔

DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201714126

摘要：本文基于MX231CC平台和USBStick平台，采用Contiki嵌入式操作系统，设计并实现了适用于目的环境实时监测的支撑系统。叙述了系统的总体设计方案、软硬件架构以及异构网络间数据传输的过程。从技术角度为需要实时周边生产环境信息的产业提供生产管理决策依据。

关键词：Contiki；环境监测；异构网络

无线传感器网络是一种新颖的信息获取和处理方式，它集成无线通信技术、网络技术、嵌入式技术和传感器技术等。传感器节点间可以合作地感知和采集各种监测对象参数或环境的信息，并反馈给用户。用户可以依据反馈数据制定生产管理策略，从而提高生产率，并降低因生产环境骤变带来的损失。

1 系统设计思想

笔者所设计的此环境监测支撑系统，目的是能够在任何地理位置实时监测目的环境参数。整个系统基于物联网的概念设计，其中涉及到传感器技术、嵌入式技术以及无线通信技术等[1]。系统通过采用无线传感器，完成实时感知周围环境参数，这些数据通过无线传输方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送至服务端进行持久化。

2 系統整体架构

2.1 系统架构模型分析

在物联网技术层面上可以將本系统分为三部分：应用层、传输层以及感知层[2]。应用层负责请求数据、数据处理、数据持久化以及数据发布。传输层涉及到网关节点，主要完成自组织多跳网络初始化、异构网络的协议转换以及数据传输。感知层涉及底层的无线传感器节点，主要完成响应数据请求和数据采集。

2.2 系统总体架构设计

远程环境监测支撑系统包括基于Contiki的传感器节点模块、传输网关模块、上层数据管理软件。传感器节点将采集到的数据按照IEEE802.15.4协议传输至网关模块，网关解析出相关数据并转发给上层支撑软件，支撑软件将数据持久化，进而为远程的客户端提供数据请求支持。

3 传感网硬件

3.1 感知层节点

MX231CC是SmeshLink推出的面向Contiki和6LoWPAN开发的无线传感器网络节点，工作在2.4G频段，采用序列扩频技术，具有较好的抗干扰能力，MX231CC无线节点具备较大的RAM空间特性，能够适合Contiki开发中较大规模组网的要求[3]。

MX231CC上运行的是Contiki操作系统，节点上电时，会启动一个HTTP进程，使得节点上部署一个基于REST风格WEB服务器[4]。Contiki内核通过轮询机制和任务抢占机制完成对进程的调度。

3.2 传输层网关

本系统采用的网关是USBStick，其基于Contiki系统，并集成RPL路由协议。USBStick用于连接节点与传感网络外部设备，使用的平台是mxusbstick。网关节点与PC机在串口硬件上通过SLIP（Seerial Line Internet Protocol）协议传输IP数据报文[5]。网关模块实现异构网络间的协议转换，具体到本系统是完成TCP/IP协议栈到6LoWPAN协议栈的转换[6]。网关模块与PC终端间的交互最终依据SLIP协议实现，此协议将网关模块虚拟成一块IPV6网卡，进而实现点对点通信，Contiki系统中通过tunslip6脚本实现SLIP协议功能。

4 系统实现

远程环境监测支撑系统适用于需要进行环境参数监测的产业中，且底层节点支持功能扩展，可以根据具体需求集成其它类型的传感器。本次实验在室内完成，实验结果表明，可以达到数据采集，数据持久化至数据库的目的。

系统软件实现：

支撑软件主要用来通过网关节点向传感器节点定时发送HTTP请求，并解析HTTP响应中的XML格式数据，最后完成持久化数据至数据库。另外，完成节点信息的录入和更新。

利用IE9浏览器访问节点后返回的XML格式的数据如图1所示，其中Light标签表示实时光照强度，Temperature标签表示实时摄氏温度值，Voltage标签表示传感器节点实时电量。支撑软件运行如下图2所示。

5 结论

本系统实现了对生产环境的实时远程监测提供数据支撑，为生产环节提供了决策依据，从而使得生产管理更为科学化、规范化，进而提高生产率，降低因生产环境骤变带来的损失。系统基于模块化设计，因此可以根据需求在数据采集节点上搭载其他的传感器设备，从而为监测其它环境参数提供功能扩展的可能。不过，由于硬件平台一般没有统一的接口，那么如果需要进行功能扩展，势必要进行二次开发。

参考文献：

[1]汤春明，张荧，吴宇平.无线物联网中CoAP协议的研究与实现[J].现代电子技术，2013，36（1）：4044.

[2]张显金，贺龙祥.基于CoAP的无线传感器网络与互联网的互联研究[J].电信网技术，2014，（03）：1821.

[3]胡爱娜，蔡晓艳.WSN在配电房环境安全监控中的应用[J].齐鲁工业大学学报（自然科学版），2011，（04）：8184.

[4]张仕臻.基于物联网的智能农业监控系统[J].湖北工业大学学报，2016，31（4）：8688.

[5]廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].2016，32（11）：233243.

[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.