基于无线传感网的物联网应用技术研究

清华大学合肥公共安全研究院 汪曙光 许令顺 郭 志 方明英

基于无线传感网的物联网应用技术研究

清华大学合肥公共安全研究院 汪曙光 许令顺 郭 志 方明英

随着物联网产业的迅猛发展，物联网接入的设备急剧增多，在很大程度上满足了业务系统需求的同时，也给业务系统访问底层物联网设备造成极大困难。这一困境严重阻碍了物联网产业的进一步发展。本文从当前物联网的应用背景出发，以物联网与无线传感网的关系为全文的切入点，分析了无线传感网络的基本原理和结构，总结了近年来国内在无线传感网和物联网领域的主要研究成果。为了阐明无线传感网在物联网中的应用原理，本文还设计了一套基于无线传感网络的物联网数据采集系统，系统的总体设计方案进行了详细阐述，确定了系统实现的总体架构、关键技术和系统各模块的实现方案；提出了物联网应用平台的总体层次结构，对系统进行了功能实现。本文的研究为无线传感网在物联网领域的应用提供了有益的借鉴。

物联网；无线传感网；C/S 架构；数据采集

0 前言

物联网是近年兴起的朝阳产业，它正在慢慢地改变人们的生活，也逐渐成为国家的重要发展战略，在智能交通、智能家居、农业监测、智能监控、环境监测等领域有着极为广泛的应用。物联网采用传统网络将各种设备联系起来，以实现上层应用的业务需求。但是现有的通信网络相对比较庞杂，造成物联网的结构复杂、部署与维护成本高，各业务系统很难实现数据与资源共享，从而不利于互联网的进一步发展。为此，必须构建一个高效、健壮、安全、易用的、基于无线传感网的物联网应用平台，以减少开发成本，提高开发效率，降低开发风险，这对物联网的研究与应用具有十分关键的作用。

1 物联网与无线传感网

20世纪末，MIT Ash-ton 教授首次提出“物联网”的概念。物联网（The Internet of Things，IoT）是继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次革命。从射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）的角度上看，物联网实际上是一种基于互联网和RFID技术发展的网络，实现了“物与物”、“人与物”之间的信息获取、融合、传播和共享。从传感网应用的角度看上，物联网则是由传感器、数据处理单元和通信单元等节点通过自组织的方式构成的无线网络[1]。综上所述，物联网的定义可以归纳为：所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。

在物联网的世界里，任意物体都有一个独一无二的识别码，无论何时何地都能与其它任意物体互联。与互联网相比，物联网的重大突破在于它可以将真实的物理世界与虚拟的信息世界融合在一起。物联网与无线传感网虽然都与网络有关，但他们是两个不同的概念，有着很大的区别。物联网的应用是一种针对性极强的实际应用，一句话就是“物物相联”的对物应用。无线传感网与物联网最根本的不同在于它立足一个地地道道的无线通信协议，而且利用传感器作为节点。无线传感网就其作用而言可以看作是一种小规模互联网，涉及的是一种物理信号检测传输的手段，应用并无特别的针对性。为了达到物物相联的目的，同时避免布线的成本与复杂度，物联网就必须具备物理环境信息采集和传输的功能，这就需要用到无线传感网了。无线传感网是物联网的主要末端对接形式。

2 无线传感网的基本结构

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）主要由传感器节点、汇聚节点和管理节点三大模块组成[2]。传感器节点就是终端的感知单元，用于采集各种物理量，它的体积较小，通常内置有微型操作系统，但数据处理能力非常有限，节点能量由电池提供；汇聚节点的作用是对整个网络进行协调控制，因此要求具有较强的数据处理能力，汇聚节点不但具有一般传感器网络节点功能，还集成了通用串行接口模块来完成传感器网络的扩展功能，负责无线传感网络与互联网之间的协议转换，完成与采集终端的通讯和数据传输；管理节点可以对各传感器节点进行控制和管理，使整个网络处于正常工作状态。

无线传感器网络与传统网络之间的有着很大的差异。首先，无线传感器网络的传感器节点分布密集、数量巨大、拓扑结构复杂、工作在开放式空间中。其次，无线传感器网络主要采用无线通信方式、广播通信体制和事件触发工作方式。再次，无线传感器网容错性强、自适应能力好、动态性高等特点。最后，各传感器节点具有很强的自组织能力，可以根据实际情况进行互相协调，组网形式非常灵活。因此，无线传感器网络系统比传统的网络更容易实现数据采集自动化、控制自动化和信息发布自动化。

3 无线传感网在物联网中的应用现状

由于无线传感网的众多优势，其在物联网中的地位日益得到体现，相关的学者、工程技术人员和科研单位也纷纷投入经费开展研究。到目前为止，无线传感网在物联网中的应用在国内已有不少成果，在网络接入、农情监测、能量均衡、医疗监控、智能家居等方面得到了广泛的应用。

为了实现物联网无所不在的接入要求，华东师范大学提出了一种基于蜂窝网络与无线传感网络融合的物联网。文献认为现有接入技术中，只有蜂窝网络能实现无所不在的接入，提出蜂窝网络与无线传感网融合技术中的一些通用功能，为蜂窝网络与无线传感网的融合提供一个可参考的共享功能模块[3]。

昆明理工大学开发了一套基于物联网和无线传感器网络技术的农情监测系统，融合了地理信息系统、遥感及卫星定位系统等相关技术，实现对环境指标的全天候监测和数据远程传输，对实现精准农业提供了重要、有效手段，具有十分重要的市场价值和应用前景[4]。

大连理工大学针对物联网中传感器节点能量受限的问题，基于磁谐振耦合式无线能量传输技术，提出了一种基于无线能量传输的能量均衡路由算法，从一个新的方向来研究物联网能量均衡问题[5]。

内蒙古科技大学提出了一种基于物联网技术的无线医疗监控系统设计方案，采用了高精度、可携带的医疗传感设备对病人身体状况进行实时监控，同时提出模糊双曲线定位算法，在医疗方面有广阔的应用前景[6]。

西安工程大学提出了基于无线物联网的智能家居监控系统的概念，将Zigbee、嵌入式和GPRS等多种物联网相关技术结合在一起，提出了一套全新的物联网智能家居解决方案[7]。

4 无线传感网在物联网中的应用举例

为了阐明无线传感网在物联网中的应用原理，本文设计了一套基于无线传感网络的物联网数据采集系统。

4.1 系统总体设计

本系统以制造企业的生产监控为应用环境，其主要工作原理如下。首先，工厂中安装了视频设备和大量传感器，用于采集关键生产设备的实时工作状态参数和运行图像信息，然后通过无线传感器网络把采集到的各类数据传送到服务端。通讯方式采用移动GPRS网络，通过TCP协议发送数据包，服务端接收到数据后立即存入本地数据库，同时进行数据统计与分析，通过预设参数对数据进行比对检查，以识别设备动作的故障信息或有可能出现的风险。一旦发现故障信息或者有出现故障的可能性，立即做出告警，告警信息通过短信的方式发送到管理人员的手机上，提醒管理人员及时处理，以避免事故造成的经济损失。

根据上述工作过程，本文将整个系统架构分成了四个层次：应用层、数据存储控制层、数据链路层和传输层，如图1所示。本方案的设计具有很多优势。首先，实现了层与层之间的分离，可以更好地把程序逻辑集中在每一层的关注点，同时保证了层与层之间协议和API 的完整性与有效性，使开发人员可以将注意力集中于层内，而非层间。其次，实现了系统功能和逻辑层的模块化，使各层之间的逻辑都相互独立，当某一层需求有变动时，无论在层内做多大的修改，只要保证与邻层的 API 不变，那么对其他层将不产生任何影响。这对于开发效率的提升有很重大的意义。再次，分层的设计思想进一步降低了系统间的耦合性。每一层的目的明确，若日后有类似项目需求，可以逐层选择性复用。这点非常符合计算机软件的开发过程中的松散耦合原则，代码复用率得到很大的提升。最后，为了实现传输协议的健全性和稳定性，本文对层与层之间的协议设计进行了优化，避免了当层与层之间的 API 变动时对系统产生的负面影响。

图1 基于无线传感网的生产监控系统分层设计方案

4.2 系统详细设计

本系统的采集端负责生产现场的各类关键参数采集，这些数据主要包括摄像头的实时图像和各传感器的设备状态信息，采集到的数据通过 GPRS 实时传输到系统服务器。本系统的所有数据都是通过无线传感器网络传输出去的。总之，环境数据通过环境传感器节点采集。通过 Zig Bee 局域网络协议组成无线传感器网络进行数据的采集，并通过汇聚节点融合数据。数据融合完成后，网关将往物联网网关发送数据的工作准备就绪。

4．2．1 汇聚节点

现场的数据传感器分布在各个角落，分别采集自己对应的数据，并独立进行工作。但是这些零散的数据需要进行汇总，并且各传感器之间需要有一个协调者进行工作指挥，这种用于调协的环节就是汇聚节点。本系统的汇聚节点可以汇聚所有传感器的数据，进行格式化后通过网络将数据传输出去。

4．2．2 拓扑结构

网络拓扑结构就是网络中的硬件设备相连的形式。拓扑结构一般可以分为：星型、环型、总线型等。由于本系统的各传感器节点间是独立工作的，相互之间不产生影响，系统性能和可靠性都非常高，但是对网络延迟要求较严格。基于以上分析，本系统采用了星型拓扑结构。

4．2．3 数据链路层

数据链路层承载的是物联网网关。物联网网关在整个框架中的作用十分突出，它向上连接了感知网络，实时收集来自下层的感知数据，向上又与传统的通信网络进行传输。因此，物联网网关起到了连接上下两层的中间层作用，实现不同网络形式之间的协议转换。在本系统采用了TQ6410 嵌入式开发板，它可以很好地与硬件设备和网络进行对接，功能非常强大。TQ6410从传感器节点接收无线网络层传输过来的各种数据之后，再由GPRS Modem通过 PPP拨号上网的方式，采用 TCP/IP 协议将所有数据发至服务端，通过GPRS网络发送数据至中央数据中心进行下一步的处理。

4．2．4 数据存储控制层

数据存储控制层直接与服务器进行对接工作。首先必须进行监听端口的预设，物联网网关发来的所有数据都将通过该端口进行传输，其它端口将收不到任何有用的数据。数据接收后，将进行实时的存储、处理以及展示。同时根据系统预设参数对数据进行分析，一旦发现异常数据，将立即生成预警信息，并通过短信的方式发送给用户。

4．2．5 服务端架构设计

服务端作为数据的处理中心，具备高可靠性、可扩展性、可伸缩性、动态配置等特点。本系统采用了传统的客户机和服务器结构（C/S 架构）。客户机采用WPF编程，带有可视化操作界面。服务端的功能主要有监控数据管理、监控硬件信息管理、监控结果管理以及对系统进行操作的相关管理，用户可以很方便地对数据的接收与存储、管理与显示、预警回馈。

4．2．6 应用层

应用层主要由各种用户设备构成，它的作用是为用户展示数据，并与用户进行交互。用户可以通过手机、电脑等终端设备与系统底层进行交互。

5 总结

本系统在无线网络层中采用了无线传感器网络技术，将多种传感器数据进行了封装处理，由汇聚节点传输给物联网网关。物联网网关采用了TQ6410 嵌入式开发板，将数据从汇聚节点接收并发送至服务端。数据传输采用了GPRS 通信协议。整个系统实现了环境数据多样化和无线传输实时化。本文所设计的系统经过三个月的试运行，各节点工作状态正常，数据完整，数据传输可靠，基本完成了各项设计功能，用户体验良好，这说明本文的设计是合理的。无线传感器网在物联网中的应用可以为整个系统的性能提升和构架优化提供很好的条件。本系统具有广阔的应用前景。

物联网改善了人类生活，也促进了国家信息基础建设，有力推动了国家信息化步伐。随着物联网技术的进一步发展，物联网的未来也将面临着无数的机遇与挑战。不难预料，物联网的研究重点将是解决通信距离短、受外部环境影响大、异构网络兼容、数据安全传输、超大网络管理等问题，并逐渐形成完整的标准体系。

[1]薛卫强．基于物联网的无线环境监测系统设计与软件的实现[D]．燕山大学,2013．

[2]物联网无线应用分析[J]．电子技术应用,2011,37(01)：24-25．

[3]谭路．物联网探索—蜂窝网络与无线传感网络融合问题[D]．华东师范大学,2011．

[4]段有艳．基于物联网(无线传感器网络)技术的农情监测系统研究[D]．昆明理工大学,2015．

[5]邱一腾．基于无线能量传输的物联网能量均衡策略研究[D]．大连理工大学,2013．

[6]钱志鸿,王义君．面向物联网的无线传感器网络综述[J]．电子与信息学报,2013,35(01)：215-227．

[7]刘学彬．基于无线物联网的智能生态家居控制系统研究与设计[D]．西安工程大学,2011．

汪曙光（1978—），男，安徽颍上人，博士，副教授，研究方向：公共安全。