文/四川省成都市電子科技大學 易琪淙 武文斌 周鑫 史治平

基于蜂窩網絡建立的遠程信息傳輸系統(tǒng)，是未來物聯(lián)網系統(tǒng)的發(fā)展方向。本文提出了一種簡單易行的遠程監(jiān)控系統(tǒng)建立方案，設備方面，該方案采用ZICM2410模塊作為傳感器節(jié)點，組建無線傳感器網絡，經過融合網關，通過蜂窩網絡實現(xiàn)遠程信息的傳輸。技術方面，該方案利用Web優(yōu)勢，采用串口通信技術、虛擬服務器、DDNS、IIS、ASP.NET等技術實現(xiàn)整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

前言

在物聯(lián)網時代，任何一個物體都有自己獨特的可被識別的標志，通信方式將由傳統(tǒng)的人與人形式轉變成人與物、物與物形式，人類社會也將進入一個全新的通信時代?，F(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接近于飽和，發(fā)展空間有限。而物聯(lián)網涉及的通信對象更多的是“物”，如果這些所謂的“物”都納入物聯(lián)網通信應用范疇，其潛在可能涉及的通信連接數(shù)可達數(shù)百億個，為通信領域的擴展提供了巨大的空間。

隨著無線移動通信的發(fā)展，特別是3G網絡技術的應用，頻帶越來越寬、傳輸速率逐步提高、業(yè)務種類增多、使用更加方便、傳輸質量更好，使得基于移動通信網絡的物聯(lián)網系統(tǒng)受到廣泛的重視。并且，也只有蜂窩網絡能實現(xiàn)無所不在的接入。因此，本文設計了一種蜂窩網絡和無線傳感網的融合方案，將蜂窩網絡作為無線傳感網匯聚信息的傳輸通道。另外，該遠程監(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，可以作為其他科學研究的遠程實驗平臺。

1 無線傳感網

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

1.1  傳感網節(jié)點

ZICM2410模塊是基于集成CPU的單片Zigbee芯片所設計的模塊，如圖1所示，為Zigbee網絡提供一個高性能、低成本的射頻收發(fā)方案。其內核ZICM2410是一個真正的單芯片解決方案，遵從Zigbee規(guī)范和IEEE 802.15.4標準，它是一個含有基帶modem的射頻收發(fā)器、硬連線的MAC和內嵌8051內核的微控制器。利用該模塊組成具有溫度采集和蜂鳴報警等基本功能的無線傳感器節(jié)點，該節(jié)點負責檢測周圍環(huán)境的溫度和產生警報。

圖1 ZICM2410模塊

1.2  傳感網組網

在傳感網絡中，節(jié)點按功能可分為主節(jié)點（也稱為匯聚節(jié)點）和從節(jié)點，主節(jié)點是整個網絡的協(xié)調器，作為全功能設備,負責網絡組建和維護、采集數(shù)據(jù)無線接收、與本地服務器串口通信。從節(jié)點主要負責溫度采集、蜂鳴報警和數(shù)據(jù)無線傳輸，可以作為簡化功能設備,以降低功耗和成本。

本文設計的無線傳感網結構如圖2所示，采用簡易的星型網絡拓撲結構，建立了一個主節(jié)點，三個從節(jié)點的無線傳感網絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。

圖2  星型網絡組網方式

一方面，各個從節(jié)點的溫度傳感器定時采集環(huán)境溫度，并通過無線傳感網絡將數(shù)據(jù)依次向主節(jié)點發(fā)送，主節(jié)點收到數(shù)據(jù)后通過RS232再發(fā)送給本地服務器；另一方面，主節(jié)點接收用戶的指令，將相應指令傳達給自身和從節(jié)點，執(zhí)行蜂鳴報警的功能，從而實現(xiàn)雙向控制。

2 無線傳感網與移動網的融合

為了使無線傳感網在任何地點均能傳輸有用數(shù)據(jù)，所以必須通過蜂窩網實現(xiàn)無所不在的接入，設計方案如圖3所示。

圖3  設計方案

無線傳感網通過RS232連接服務器，同時，服務器通過EVDO路由器接入蜂窩網，整個遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，傳感網和蜂窩網利用EVDO路由器進行融合。整個系統(tǒng)中，路由器、服務器和傳感器主節(jié)點構成融合網關，EVDO路由器再通過移動通信基站接入廣域網或專網，傳感網數(shù)據(jù)通過蜂窩網實現(xiàn)雙向通信的功能。整個設計方案采用B/S模式，建立基于 Web的遠程監(jiān)控及信息平臺框架，實現(xiàn)任意客戶端對無線傳感網的遠程監(jiān)控。服務器端通過EVDO接入蜂窩網絡，擺脫了有線的束縛，真正實現(xiàn)了無縫接入。因此，傳感器網絡能夠在任何有3G覆蓋的區(qū)域正常工作?？蛻舳藙t可以通過WLAN、PPPOE、以太網等方式接入互聯(lián)網，最后再通過DDNS、虛擬服務器等技術便可方便地訪問服務器和監(jiān)控無線傳感網^[2]。

3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

基于蜂窩網絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)集溫度采集、蜂鳴控制、數(shù)據(jù)查詢于一體，主要由服務器監(jiān)控、無線傳感網組成。具有內部IP地址的計算機作為控制主機，利用IIS搭建為服務器，通過虛擬服務器技術，外網用戶通過動態(tài)域名訪問由ASP.NET設計的控制界面，通過網絡實現(xiàn)遠程溫度采集，蜂鳴報警控制，歷史事件查詢等功能^[5]。以下將對IIS服務器搭建、虛擬服務器設計、動態(tài)域名解析、ASP.NET控制界面設計分別詳述。

3.1  服務器搭建

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

3.1.1  虛擬服務器設計

根據(jù)先前設計的無線傳感網與移動網融合方案，服務器通過EVDO路由器接入蜂窩網絡，路由器具有公網IP地址，而具有控制功能的服務器使用私有IP地址。在這種情況下，虛擬服務器功能是非常實用的，它可以把用戶私網內的服務器讓Internet上的用戶進行訪問，從而實現(xiàn)在私網內設立公共服務器的目的。圖4體現(xiàn)了路由器虛擬服務器技術的過程。

圖4 虛擬服務器

虛擬服務器定義了廣域網服務端口和局域網網絡服務器之間的映射關系，所有對該廣域網服務端口的訪問將會被重定位給通過IP地址指定的局域網網絡服務器。通過虛擬服務器技術，可以使用普通計算機充當服務器，避免了昂貴的開銷。

3.1.2  動態(tài)域名解析

動態(tài)域名解析服務，簡稱DDNS（Dynamic Domain Name Server），是將用戶的動態(tài)IP地址映射到一個固定的域名解析服務上，用戶每次連接網絡的時候，客戶端程序就會通過信息傳遞把該主機的動態(tài)IP地址傳送給位于服務商主機上的服務器程序，服務程序負責提供DNS服務并實現(xiàn)動態(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應，這樣域名就可以始終解析到非固定IP的服務器上，互聯(lián)網用戶通過本地的域名服務器獲得網站域名的IP地址，從而可以訪問網站的服務。

3.2  ASP.NET控制界面設計

基于蜂窩網絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在VS2010環(huán)境下采用C#和ASP.NET技術^[3]編寫前臺頁面，完全基于B/S結構的設計，可使用戶輕松實現(xiàn)單點維護，擺脫了傳統(tǒng)C/S結構復雜的情況。后臺數(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，以實現(xiàn)用戶對監(jiān)控點的溫度監(jiān)測，并能在最短時間內蜂鳴報警，達到保障安全的目的，同時，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，設有系統(tǒng)公告部分，用于公告最新消息，為滿足用戶的日常需要，還提供了時間顯示，常用鏈接等其他功能。

4 結論

比較于傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)，基于蜂窩網的遠程監(jiān)控技術實現(xiàn)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)避免了種種弊端。隨著3G網絡的大面積覆蓋，監(jiān)控設備可以擱置在任意地點工作，管理人員不必親臨現(xiàn)場，遠程即可對現(xiàn)場環(huán)境進行監(jiān)視，大大提高了勞動生產率，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，組網簡單，性能穩(wěn)定，適合作為后續(xù)科研的工作平臺，具有一定的實用價值，其基本模型必將應用到更多的領域，滿足人們更多的需求。