多重无线异构网络的智能云控制系统的设计

巫肇彬 覃铭淼 何长珊

摘   要：介绍一个多重无线异构的云控制系统，该系统主要包括云端服务器、网关和众多终端节点，集成了ZigBee、WiFi、GSM等通信协议，实现不同协议之间的数据异构融合，将其应用于各种不同的复杂环境，实现对复杂环境的智能化监控.在本文中，以智慧家庭为例，搭建硬件实验平台构建智能化监控系统.其中，前端构建ZigBee星型网络进行数据采集，网关对不同制式的协议统一封装，实现异构网络共性融合;云端服务器对来网关的数据进行统一处理，并对终端节点进行智能控制.实验结果表明，智慧家庭中不同制式的异构网络数据无缝衔接，云服务器与采集终端实现了信息交互，对家庭设备进行了智能化控制.因此，该系统具有很强的实用性、可靠性好、稳定性高、操作简单，可用于车联网、智慧家庭、智能农业等领域.

关键词： 无线异构;云控制系统;融合

中图分类号：TN926;TP273       DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2019.03.005

引言

现有的各种无线通信系统中，采用单一的无线网络制式很难同时在传输距离、传输速度、功耗等方面满足需求多样化的智能系统要求.未来的发展必然是多种无线接入技术共存、相互补充、共同发展[1].多重无线异构网络是一种新型网络，可以最大程度地利用现有的各种通信技术的优势，通过系统内统一封装，实现无线异构网络的异构融合，降低成本，使系统性能都有质的提高[2].采用不同的接入手段，根据产品的需求，通过协议转换技术和数据融合技术，实现无线异构网络中数据的重组与异构融合[3]，使得不同的协议有机结合在一起.无线异构融合基本功能主要是将各种不同协议、不同制式的数据包转换成接收方所能识别兼容的格式，实现跨网传输，达到多重异构网络的无缝切换的目的.核心部分主要是利用网关对来自不同协议的数据进行解析，提取核心的数据信息，然后统一封装，添加相應的帧头和帧尾，最终转换成接收方所采用的协议格式.

多重无线异构融合已经成为通信领域重要的研究内容.无线通信网络与互联网相结合是未来智能系统发展的趋势[4].本文将云服务器与无线异构网络结合在一起，设计一个多重异构网络融合的云控制系统，并进行相关的实验测试，获得一些基本参数.通过云服务器的实时分析，实现终端数据的远程监控.在实验测试中，不同制式的协议经过网关的共性操作，实现数据的无缝传输.本系统设计简单，成本低廉，可通过云端服务器对整个系统进行监控，能稳定的实现异构数据的共性融合与传输.

1    方案设计

由于智能控制系统的需求，充分考虑传输距离、传输速度、抗干扰能力以及传送数据特性等因素，系统集成了ZigBee、WiFi、GSM、GPRS等通信协议.系统中网关主要负责传感器网络协议到现场总线协议的转换[5].终端设备采集数据后，将数据传送到网关设备，网关设备接收到数据后，根据其协议类型进行解析，然后封装成数据帧，进行协议转换，最后传送给云服务器及监控中心.监控中心根据数据类型，对其进行相应的分析处理.

云服务器主要是利用中国移动物联网开发平台——OneNET[6]，该平台支持多种语言开发SDK，可以实现终端设备的快速接入，具有分布式结构和多重数据保障机制，提供传输加密和安全的数据存储，支持EDP、MQTT、TCP等接入协议.OneNET将接收到的数据按照协议包存储，并以API的方式提供给应用层使用，实现终端与服务器的完整交互.

云控制系统主要分为3大部分：云服务器、网关、子网终端设备.具体架构如图1所示.

2    实验设计

本实验中，以智慧家庭为例，由ZigBee、WiFi、GSM组成的多源异构网络.前端利用ZigBee技术构建的无线传感器网络具有功耗低、成本低、网络容量大等特点[7]，通过其采集温度、湿度、气体、门禁系统情况等数据，经过网关上传到服务器，通过多重异构网络实现对家庭环境参数的远程监控;如果门禁被强行打开，或者危险气体泄漏，可实现实时电话预警，使用户第一时间掌握家庭动态，其结构如图2所示.

整个系统，ZigBee网络包含协调器和终端设备，协调器属于网关的一部分;网关中还包含GSM模块和WiFi模块;协调器建立星型网络，终端设备节点1、2、3分别加入网络，并采集温度、湿度、气体、门禁情况等数据，经过网关的WiFi模块实时传送到云服务器.同时，根据信号的紧急程度判断是否要启动GSM预警功能.

2.1   硬件电路设计

本系统主要由ZigBee、WiFi、GSM通信协议组成，考虑到无线通信部分特殊的工艺要求以及模块节点的可移植性，将各通信节点设计成最小系统或模块，在使用时根据系统需求增加一定的外围电路或传感器，连接组成完整的系统.

1）ZigBee通信节点电路

本系统ZigBee节点采用CC2530处理器[8]，此处理器只需要很少的外围元器件和去耦电容即可实现无线的组网通信.在此电路中，包括1个32 MHz的无源晶振，1个32.768 kHz的无源晶振，射频前端电路与天线，以及芯片的去耦电容.其电路如图3所示.

2）WiFi通信节点电路设计

本系统WiFi通信节点采用ESP8266模块，此模块具有完整独立的WiFi网络解决方案，是专门为移动设备和物联网应用而设计的;集成了TCP/IP协议，有着很丰富的基于Socket的AT指令集，以及强大的片上处理和存储能力.其电路如图4所示.

3）GSM通信节点电路设计

GSM通信节点采用SIM800C模块，可以实现低功耗的传输语音、GSM短信和数字信息，通过标准的AT指令可以实现对其控制，实现自动报警功能.GSM模块与CPU的USART2连接进行通信，模块的VMCU端连接CPU的PA4口，主要是接受主控器的信号，然后驱动内部的SIM卡进行通信.其电路如图5所示.

2.2   系统软件设计

在本系统中，为了优化程序代码，便于编程、调试和维护，软件结构采用模块化方案设计，分别独立编写调试各个子功能模块的程序，预留出标准的接口，最后通过终端节点和网关将所有的模块连接起来，构成整个系统.系统软件主要包括网关设计、温湿度采集程序设计、门禁系统程序设计、气体烟雾检测程序设计及通信协议设计.

2.2.1   网关设计

网关是整个系统的大脑，对整个系统起着控制调节的作用.在本系统中，网关采用星型拓扑网络结构，实现各个终端节点数据的采集并汇集到终端服务器.图6为网关工作的程序流程图，在终端设备开始采集数据之前，先判断网关是否与服务器连接成功;在确认网关与服务器连接成功后，网关判断服务器是否下达指令.如果有指令，首先执行指令任务，然后开始采集数据.在接收到数据之后，网关判断数据的紧急程度，判定是否需要启动GSM电话预警;然后开始数据的封装，进行协议转换，上传到云服务器.

网关连接云服务器主要是通过WiFi模块连接到“oneNET”平台.本系统利用esp8266WiFi模块通过TCP协议实现网关接入oneNET服务器，具体配置如下：

2.2.2   温湿度采集程序设计

温湿度采集程序设计如图7所示.首先，对温湿度传感器SHT20进行初始化操作;然后，SHT20进行温湿度数据的采集，采集完成后对数据进行温湿度补偿等处理;最后，通过ZigBee协议将数据发送到网关.数据每5 s通过ZigBee上传一次.

2.2.3   门禁系统程序设计

门禁系统主要功能是通过刷卡出入或者输入密码出入进行防盗.整个系统初始化之后，系统开始寻卡，如果检测到有IC卡靠近，就开始读取IC卡的卡号，并和系统存储的卡号进行匹配.如果卡号一致就打开门，否则上传报警信号到网关;如果用户选择输入密码，系统开始读取键盤值，读取到的值跟系统存储的密码比对，二者一致就打开门，否则同样上传报警信号;如果大门被强制打开，系统发送报警信号给家庭网关.系统流程如图8所示.

2.2.4   气体烟雾检测程序设计

气体烟雾模块运行时，首先进行初始化操作.由于MQ-2传感器在使用之前，必须要先预热才可以采集数据进行检测，所以在初始化时要等待5 min，在此期间LED灯会一直闪烁.如果LED变为常亮，则代表已经初始化完成，可以开始读取环境中气体的浓度数据了.如果读取到的值超过设定值，那么报警信号将通过ZigBee上传至网关.否则，每5 min上传一次读取到的气体浓度值.气体烟雾模块程序流程图如图9所示.

2.2.5   通信协议设计

由于ZigBee、WiFi、GSM通信协议都是可编程的，所以网关通信协议采用自己定制的方式.在系统中开辟一段连续地址作为标准寄存器，寄存相关数据的紧急程度的阈值，区分数据的紧急程度，增强系统实时性.在网关内部，增加了数据优先级指令.其通信格式如表1所示.

[帧头 载荷 帧尾 网络ID 优先级 目的地址 源地址 帧长度 数据/响应 数据 CRC校验码 1字节 1字节 2字节 2字节 1字节 1字节 随命令的变化 1字节 ]

整个数据帧格式主要分为3大部分：帧头、载荷和帧尾.

帧头：网络ID用1字节表明此数据包来源的网络，即协议类型;优先级1字节，是数据处理先后的标识符，表明数据的紧急程度;目的地址2字节，用于标识接收数据的设备;源地址2字节，用于标识数据来源的设备.

载荷：长度1字节用于表示数据的长度;数据/响应1字节，其作用主要是区分传输的是数据还是响应;数据就是要传输的具体内容，其长度根据数据/响应的不同而改变.

帧尾：主要是CRC校验码，用于判断数据是否正确.

2.3   实验操作与数据

测试中，首先用手机登录“oneNET”云端平台，进去界面5 s后手机显示温湿度表盘的数值为当前环境的温度和湿度.其中，温度为29.80 °C，湿度为64.95%，如图10（a）所示.然后按住ZigBee终端节点1的温度传感器，大概在20 s后检测模块检测到的数据发生变化，可以发现手机界面的温度和湿度的表盘的值都发生了变化.其中，温度为32.44 °C，湿度为65.5%，如图10（b）所示.通过对比可知，云端服务器可靠的收到了前端采集的数据.

然后，用打火机对着ZigBee终端节点2的气体传感器放气，传感器检测到有燃气后，节点2上的绿色LED灯会以快速的闪烁进行报警，如图11（a）所示;同时，大概20 s后手机接到GSM打过来的火灾报警电话，如图11（b）所示.

门禁系统设计有刷卡和密码开门，如图12所示.刷正确的门禁卡时，白色的LED灯闪烁一次，当刷的卡错误时，白色的LED灯一直闪烁;输入密码为“1234”再输入结束符“#”时，因为是正确的密码，所以同样是白色的LED灯闪烁一次，输入的密码是“1459”或者其他数字，因为是错误的密码时，白色的LED灯一直闪烁;若强制打开门磁的时候，黄色的LED灯亮，手机在20 s内会接受到GSM打过来的报警电话.

此外，点击界面上的“ON/OFF”，如图13所示，还可以进行家电设备的远程控制：点击“ON/OFF”按钮，观察到图12门禁系统节点上的红色的LED灯变亮;再点击一次这个按钮，图13门禁系统节点上亮着的红色LED灯变黑.

2.4   实验结果分析

从上面的实验结果和数据可以看出，云服务器与采集终端实现了信息交互.不同协议的数据在网关的协同处理下，异构融合，可靠稳定的传输到云端服务器.云端服务器监控中心根据情况，对监控网络下达相应的指令.从温度变化、电话预警的时间来看，系统的实时性有待进一步改善，影响实时性的因素主要有：1）温度传感器的灵敏度不高;2）所处环境的GSM信号弱;3）系统存在多种通信协议，容易相互影响;

针对以上问题，可以通过提高温度传感器灵敏度，增大GSM的发射功率，优化网关异构融合效率等来提高系统实时性.

3    结论

本文设计的多重无线异构的云控制系统结构简单，价格低廉，充分发挥了无线通信的优势，集成了多种常用的通信协议组成异构网络，通过对异构数据的共性操作，实现异构融合，达到了对复杂环境的高效实时监控.文中以智慧家庭为例搭建的实验平台，首先设计了硬件平台，然后基于硬件部分进行软件算法设计，并且结合云端服务器，实现了现场环境的远程监控.实验时效果实时性好、可靠性高，适用于车联网、智慧家庭、智能农业等智能化要求较高的领域，对智能化社会有着重要的意义.此外，针对实验中存在的问题，提高通信距离、优化异构数据融合效率是下一步研究的重要内容.

参考文献

[1] 司强毅.异构无线网络融合关键问题和发展趋势[J].信息与电脑（理论版），2017（17）：196-197，200.

[2] YI P Z，IWAYEMI A，ZhOU C.Developing ZigBee deployment guideline under WiFi interference for smart grid applications[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2（1）：110-120.

[3] 徐健，张裕露，黄萍萍，等.基于GPRS通信的港口机械远程监控管理系统[J].自动化博览，2012（7）：64-67.

[4] YUAN J W，LOU H，GUO Q H，et al. Design and implementation of smart home remote control system based on SNS open platform[C]// IET International Conference on Wireless，Mobile and Multimedia Networks，2013.

[5] 蓝会立，陈政强.无线传感器网络在粮情监测中的关键技术研究[J].广西工学院学报，2010，21（3）：57-60.

[6] 杨艳，李东睿.浅谈基于OneNET平台的物联网通用应用平台的设计与实现[J].数字通信世界，2018（1）：57-58.

[7] 黄庆南，陈文辉，李克俭.基于ZigBee技术的医疗监护系统WSNs节点设计[J].广西工学院学报，2011，22（3）：54-58.

[8]. 姬毓涓，任志强，闫涵，等.基于CC2530的农业大棚智能环境监测系统设计[J].信息与电脑（理论版），2018（12）：116-117.

Abstract： A multi-wireless heterogeneous cloud control system is proposed which contains the cloud server， the gateway and numerous terminal nodes and combines communication protocols such as zigbee， wifi， and GSM. In the gateway， the protocols of different standards are uniformly encapsulated to realize reliable communication between the cloud server and terminal nodes， and heterogeneous integration of data between different protocols. The cloud server uniformly monitors the data from different protocols and different terminals and intelligently controls different devices. This system can be used in the fields of Internet of vehicles， smart home， intelligent agriculture and so on.

Key words： wireless heterogeneity; cloud control system; integration

（責任编辑：黎   娅）