适用于水产养殖环境监测系统的异构网关
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【摘要】 我国是水产养殖大国，建立“水产养殖环境监测系统”是提高养殖质量和效益的重要手段。本文提出了一种适于水产养殖环境的异构无线网络结构，分析了其核心—异构网关的设计要点，设计了通信帧的结构和格式。
【关键词】 物联网 无线传感器网络 异构网关 嵌入式系统 水产养殖 Wi-Fi
Heterogeneous Network Gateway Applied to Aquaculture Environment Monitoring System
WANG Ziqing 1， CHEN Zhicong 2， DING Yaan 31. College of Telecommunications & Information Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210003， China2. School of Computer Science and Technology & School of Software， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210046， China3. College of Electronic Science and
Engineering， Nanjing University of Posts and Telecommunications， Nanjing 210023， China
Abstract：Nowadays， the aquaculture industry has developed rapidly in China. Building an environment monitoring system for aquaculture is an essential method to improve its quality and profit. This paper applies a wireless heterogeneous network architecture to aquaculture environment，and then analyses the key design of the heterogeneous network gateway. According to this， the paper also devises the structure and format of the communication frame.
Keywords：loT，wireless sensor network，heterogeneous network gateway，embedded system，aquaculture，Wi-Fi
一、引言
水产养殖过程中对养殖所需的温度、溶解氧、pH 等环境因素进行监测与控制是很重要的，传统手段大多依靠人工完成，难以满足准确性和实时性要求。因此，有必要建立养殖水域环境自动监测系统以实现增加养殖密度、节约能源、降低成本、精准管理等目的。
物联网是继PC、互联网、无线通信技术之后第四次信息技术革命， 有重大的科学意义和应用价值。依靠物联网能够更好地管理生产和生活，提高资源利用率和生产力水平。
传感网可以看作是物联网的末端延伸网之一，协作地实时采集和处理物理世界的大量信息， 实现物联网全面感知的功能[1]。
采用无线通信技术组建网络时不使用传统的电缆线来进行连接。它的优势是：
灵活性高，不受敷设电缆线的限制。
机动性强，易于扩容。
经济性好，维护费用少。
二、设计方案
2.1 功能需求
水产养殖环境监测系统应具有如下功能：
自动采集养殖水域的溶解氧、水温、增氧水泵工作状态等实时数据。
接收有关人员指示，对增氧水泵等对象进行实时控制。
在无人值守的情况下，可自动对增氧水泵等对象进行实时控制。
在“监测系统”出现故障无法正常工作时，及时有效通知有关人员处理。
由于单个养殖水域的面积不会太大，采集环境参数的传感器与控制器集中在一个不大的范围内。同时由于水产养殖环境参数的变化是一个慢过程，对采集速率要求不高。但由于水中传感器与控制器供电困难，要求采集网低功耗是十分重要的。
2.2 总体结构
为实现上述功能，系统有一个无线传感器网和一个无线局域网，两个无线网通过异构网关连成一个整体，相互交换信息，其组成框图如图1所示 。
数据采集由传感器节点和汇聚节点组成。传感器节点将传感器测量的环境参数通过无线传输模块发送出去，并接收汇聚节点发送的指令。汇聚节点接收传感器节点发出的数据，并向传感器节点发送有关指令。汇聚节点位于网关内，是网关的组成部分之一。无线局域网通过各种用户终端来共享数据信息，并对系统运行进行维护和管理。异构网关是整个系统的核心和关键所在，其OSI层次结构自下而上保留了传感器网和WiF网的物理层、链路层和应用编程接口（API）结构，两个网遵守各自不同的网络协议，异构网关在最上面的应用层将它们关联在一起。
三、硬件选型
3.1无线传感网
选用Si1000无线通信模块。Si1000模块是美国Silicon Labs公司推出的一体化射频芯片，在极精简的封装中结合了8051内核和工作频段为240-960MHz高穿透力的EZRadioPRO RF收发器[2]，收发模块通信距离可达1公里以上。此模块的一大特点是十分节能，正常模式下（工作电压为1.8～3.6V），Si1000 的省电架构能将工作电流减小到160μA/MHz； 典型休眠模式下电流仅为315nA；对于深度休眠模式，可在低至25nA 的情况下正常运行[3]。
3.2 通信模块
通信模块有多种选择，如WIFI模块、3G模块或GPRS模块，鉴于后两种通信方式通过收费公网，全天候使用不太适合。WIFI 是IEEE 定义的一个无线网络通信的工业标准（IEEE 802.11x），它采用扩频技术，工作在2.4GHz的ISM免执照频段，支持的速率最高可达300Mbps，覆盖半径可达300米[4]。由于WIFI模块可以用现成的无线路由器代替，且可以通过ftp协议远程访问网关上保存的数据和历史记录，节约成本的同时省去了开发服务器端程序与客户端查询程序的麻烦。
3.3 嵌入式异构网关
选用ARM9处理器S3C6410，它是一个16/32位RISC微处理器，其功能强、功耗低，而且外围扩展了大量的通信接口和IO接口，为异构网关将来的功能扩充预留了丰富的资源。
四、软件设计
4.1异构网关部分
4.1.1数据流分析
网络中各种数据信息的流向如下：
传感器采样和状态数据， 由传感器节点到网关。
增氧水泵状态数据，由传感器节点到网关。
增氧水泵控制数据，由网关到传感器节点。
控制参数设置数据（供一级自动控制），由网关到传感器节点。
实时广播和查询数据，由网关到Wi-Fi节点。
实时查询请求，由Wi-Fi节点到网关。
控制参数设置数据（供二级自动控制），由Wi-Fi节点到网关。
增氧水泵控制数据，由Wi-Fi节点到网关。
4.1.2任务分析
应用层可归纳为四个单元任务，按执行的优先级不同依次是水泵控制（网关向采样汇聚节点发水泵控制信号）、参数设置（网关读取控制参数，并发给采样汇聚节点）、采样处理（网关读取采样数据并实时处理、显示、广播）、实时查询（网关接收实时查询请求，并发送查询数据）。
4.1.3 运行说明
在S3C6410嵌入式开发平台上实现异构网关的应用层功能。系统初始化后建立一个空的任务队列，通过对输入信号的中断响应形成有优先等级的任务队列，并依序执行各单元任务。当队列空时，系统处于等待接收的休眠状态。
4.1.4 开发步骤
移植Linux操作系统以及所需的驱动。
设计串口通信程序，使得S3C6410和SI1000汇聚节点能够进行十六进制串口通信，发送和接受符合规定的帧。
设计命令生成程序，使得S3C6410能够根据指定的语法参数生成对应的命令或控制帧，并将其通过串口传递给SI1000汇聚节点，以实现命令控制。
实现帧解析程序，使得从汇聚节点接收到的数据或是应答帧能够得到正确的解析，从中得到有用的数据，如含氧量或是增氧泵状态等。
将各软件模块组合，让接收模块作为守护进程运行，实现实时接受任何突发事件或数据报告并进行解析、保存日志文件。在需要发送指令的时候可以调用命令生成程序发送指定的命令帧。
连接无线路由器，测试ftp服务的运行效果。
4.2无线传感网部分
4.2.1 功能
传感器网采用点—多点的星形拓扑结构。该网络层的作用是：在网关中的汇聚节点依次轮询传感器节点，接收采样数据；汇聚节点将采样数据汇聚后统一传给应用层；汇聚节点接收应用层来的控制数据并将其传给相应的传感器节点。
4.2.2 开发步骤
实现SI1000 Gateway与SI1000 Node之间的点对点的简单通信；实现SI1000 Gateway与SI1000 Node之间的十六进制带格式帧通信；实现异构网关与SI1000 Gateway之间的串口通信，开发SI1000 Gateway串口通信功能，将其从串口接收的数据通过无线信道转发（广播），并能将无线信道上接收到的数据通过串口原样反馈给网关，供其解析；实现SI1000 Node的帧解析功能，可以将SI1000 Gateway发来的数据帧进行解析，判断命令的对象是否和自己的节点号吻合并分析命令的内容。根据命令执行指定的操作（如报告当前数据或打开关闭增氧泵）生成对应的应答帧回应给SI1000 Gateway。
4.3 通信帧格式
4.3.1 SI1000 Gateway和SI1000 Node之间的通信帧格式
串口传送的信息包括查询及控制两类，采用的帧格式都包含帧头、帧长度、帧类型、数据信息四个字段。各字段定义如下：
帧头`，长度为3字节，固定为FE0021。
帧长度，长度为2字节，为帧类型和数据信息的总长度。
帧类型，长度为1字节，0X00表示是查询帧，0X01表示是控制帧。
数据信息，长度为2字节，具体含义与帧类型有关。对查询帧，第一字节为终端ID号（将要查询的十六进制终端ID），第二字节为查询内容（0x01表示查询当前增氧泵状态，0x02表示要求指定节点汇报当前含氧量传感器数据）；对控制帧，第一字节为终端ID号（将要控制的十六进制终端ID），第二字节为控制内容（0x00表示关闭增氧泵，0x01表示打开增氧泵）。
4.3.2 Node回送SI1000 Gateway的应答帧格式
应答帧格式包含以下字段：
帧头，3字节长，固定为 FE 00 21。
帧长度，1字节长，帧类型和数据信息的总长度。
帧类型，1字节长，0x03表示应答。
终端ID，1字节长，应答的十六进制终端号。
应答内容，1字节长，0x00表示增氧泵已经按要求关闭，0x01表示增氧泵已经按要求打开，0x03表示已经按要求汇报当前含氧量传感器数据（具体值在采样数据信息字段中），0x04表示增氧泵现在处于关闭状态，0x05表示增氧泵现在处于开启状态。
采样数据信息，1字节长，承载当前含氧量传感器数据，0XFF表示此帧不携带数据。
五、结束语
经过测试，异构网关能够实现以下功能：养殖水域采样数据（如含氧量）的查询、传输、处理、汇总；对指定设备（如增氧泵）的状态查询；对养殖水域中增氧泵或其他设备的自动控制；通过Wi-Fi 用户对历史数据文件的远程查询。
异构网关是多个遵守不同协议的异构网络实现互连的主要手段，是网络应用开发的关键所在。在技术上，网关没有采用传统的PC机固然使项目实现的难度增大，但却使其更具有实用性，有更高的技术含量。无线传感网技术和嵌入式系统的采用使得整个系统更加安全可靠、快速节能和易于部署。这里要感谢南京邮电大学的曾桂根副教授的关心和指导，感谢实验室曾工的大力帮助。文中有不当之处望及时指教。
参 考 文 献
[1]朱洪波，杨龙祥，朱琦.物联网技术进展与应用[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2011，01：1-9.
[2]李善荣，闫述.Si1000低功耗性能与在无线传感器节点上的应用开发[J].无线通信技术，2011，03：32-37.
[3]李学涛.基于Si1000的无线M-Bus通信系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2012，05：33-35.
[4]李晓阳.WiFi技术及其应用与发展[J].信息技术，2012，02：196-198.
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