1、N 新技术 ew Technology 适用于水产养殖环境监测系统的异构网关 口王子卿 南京邮电大学通信与信息工程学院 陈志聪 南京南京邮电大学计算机学院软件学院 丁嫣然 南京邮电大学电子科学与工程学院 【摘要l 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，分析了其核心一异构网关的设计要点，设计了通信帧的结构和格式。 I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wiFi Heter0geneous Network Gateway Applied to Aquacultu re Envi
2、ronment Monitoring System WANG Ziqing 1，CHEN Zhicong 2，DING Yanran 31College of TelecommunicationsInformation Engineering，Nanjing UniversitV of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China2School of Computer Science and Technology&School of Software，Nanjing University of Posts and Telecommunica
3、tions，Nanjing 2 1 0046，China3College of Electronic Science and Engineering，Nanjing University of Posts and TelecommunicationsNanjing 210023，China Abstract：Nowadays，the aquaculture industry has developed rapidly in ChinaBuilding an environment monitoring system for aquaculture is an essential method
4、to improve its quality and profit This paper applies a wireless heterOgene0us network architecture to aquaculture environment，and then analyses the key design of the heterogeneous network gatewayAccording to this，the paper also devises the structure and format of the communication frame， Keywords：lo
5、T，wireless sensor network，heterOgeneOus network gateway，embedded system，aquaculture，Wi-Fi 、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眭要求。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 索引擎方便快捷的检索。 43网站交流互动功能不足 l、网站开设预约挂
6、号有13家，占52。从数据上看， 半数医院都网站设有预约挂号，但是预约挂号的操作却各不 相同，多数以公布预约挂号电话号码为主，实现网络直接预 约挂号的只有2家。医院应建立网上预约挂号系统，提供预 约就诊服务，节约患者候诊时间。 2、网站报告查询系统。有2家医院网站开始化验报告 查询，其余都未能开设报告查询系统。患者就诊期间会进行 各种化验检查、脏器检查，开设报告查询系统，能让患者不 用在取报告时往返于各个报告室就能查询到报告。体检客户 也只需要登录网站即可查询到自己的体检信息，不用再次返 回医院领取体检报告，还可以根据链接查询相关知识库，了 解该检查的正常范围及临床意义 j。 3、完善咨询及意
7、见反馈渠道。如果医院人员充足，可 建立24小时医生在线咨询，方便患者在院外进行咨询；如 果医院人员不足，可建立留言板让患者进行留言咨询问题， 并每天及时进行解答。意见与反馈能反应出医院的不足，以 102 网上调查问卷形式由患者主动参与，其结果便是广大患者对 医院各方面的一种直观反应。调查问卷内容要做到简单明了， 多以选择题及判断题为主，问卷标示则做到醒目，可以采用 字体高亮方式提醒网站浏览者主动参与。 44对医院网站发展的思考 以互联网为代表的新媒体的出现，各行业必须具有互联 网思维才能适应时代的发展。当今医院间的竞争已不单纯是 医疗技术，更是整体医疗服务的比较。医院网站发展必须在 提高足量信
8、息的前提下提供更进一步的服务，逐步由信息向 功能方向转变。医疗服务主要以治疗为主，而利用微博、微 信公众平台、APP移动平台等新媒体，用户可以从预防出发， 了解疾病，甚至进行远程诊断。在就医过程中，排队挂号和 付费所花费的时间远多于诊断时间，移动网络支付功能的推 出，有望改变从预约挂号到缴费整个就医流程，极大的方便 病患就医。这不仅节约了患者大量就诊时间，更开创了医疗 服务的新模式。在互联网新媒体时代，应该更好的发挥医院 网站的作用，宣传医院品牌和文化，方便患者，增进医患沟 通 。 参考文献 【l】于丽艳辽宁省三级甲等医院网站建设现状调查分析J】中华医学情报杂志，200918(2)：30-32
9、 【2云南省卫生厅1O家直属医院网站建设现状调查分析【J】医学信息学杂志，201233(2)：31-33 【3】上海市三级甲等医院网站建设现状研究J】中国医院，201216(7)：25-27 41互联网新媒体传播下的上海市某三甲医院网站建设的实践与思考【J】医学与社会，201427(2)：55-58 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。 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
10、性好，维护费用少。 二、设计方案 21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。 22总体结构 为实现上述功能，系统有一个无线传感
11、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 N 新技术 ew Technology 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
12、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 31无线传感网 选用Sil000无线通信模块。SilO00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240960MHz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1836V)，SilO00的省电架构能将工作电流减小到 160 AMHz；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31。 32通信模块 通信模块有多种选择，如WI
13、FI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 8021lx)，它采用扩频技术，工作在24GHz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41。由于WIFI模块可以用现成的无线路由器代替，且 可以通过fIp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。 33嵌入式异构网关 图1总体结构图 选用ARM9处理器 $3C6410，它是一个1632位 RISC微处理器，其功能强、 功耗低，而且外围扩展了
14、大量的通信接口和10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 41异构网关部分 411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。 103 N 新技术 ew Technology 实时广播和查询数据，由网关到WiFi节点。 实时查询请求，由WiFi节点到网关。 控制参数设置数据(供二级自动控制)，由WiFi节点 到网关。 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
15、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SI LO00 Gateway。 增氧水泵控制数据，由WiFi节点到网关。 43通信帧格式 412任务分析431 S11000 Gateway和SILO00 Node之间的通信帧格式 应用层可归纳为四个单元任务，按执行的优先级不同依 串口传送的信息包括查询及控制两类，采用的帧格式都 次是水泵控制(网关向采样汇聚节点发水泵控制信号)、参 包含帧头、帧长度、帧类型、数据信息四个字段。各字段定 数设置(网关读取控制参数，并发给采样汇聚节点)、采样 义如下： 处理(网关读取采样数据并实时处理、显示、广播)、
16、实时 帧头、，长度为3字节，固定为FEO021。 查询(网关接收实时查询请求，并发送查询数据)。 帧长度，长度为2字节，为帧类型和数据信息的总长度。 413运行说明 帧类型，长度为1字节，OXO0表示是查询帧，0XO1表 在$3C6410嵌入式开发平台上实现异构网关的应用层功 示是控制帧。 能。系统初始化后建立一个空的任务队列，通过对输入信号 数据信息，长度为2字节，具体含义与帧类型有关。对 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 查询帧，第一字节为终端ID号(将要查询的十六进制终端 任务。当队列空时，系统处于等待接收的休眠状态。 ID)，第二字节为查询内容(OxO1表示查询当前
17、增氧泵状态， 414开发步骤 Ox02表示要求指定节点汇报当前含氧量传感器数据)；对 移植Linux操作系统以及所需的驱动。 控制帧，第一字节为终端ID号(将要控制的十六进制终端 设计串口通信程序，使得$3C6410和SI LO00汇聚节 ID)，第二字节为控制内容(OxO0表示关闭增氧泵，OxO1 点能够进行十六进制串口通信，发送和接受符合规定的帧。 表示打开增氧泵)。 设计命令生成程序，使得$3C6410能够根据指定的432 Node回送SILO00 Gatewav的应答帧格式 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 应答帧格式包含以下字段： SI1000汇聚节点，以实现命令
18、控制。 帧头，3字节长，固定为FE 00 21。 实现帧解析程序，使得从汇聚节点接收到的数据或 帧长度，1字节长，帧类型和数据信息的总长度。 是应答帧能够得到正确的解析，从中得到有用的数据，如含 帧类型，1字节长，Ox03表示应答。 氧量或是增氧泵状态等。 终端ID，1字节长，应答的十六进制终端号。 将各软件模块组合，让接收模块作为守护进程运行， 应答内容，1字节长，OxO0表示增氧泵已经按要求关闭， 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 OxO1表示增氧泵已经按要求打开，Ox03表示已经按要求汇 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 报当前含氧量传感器数据(具
19、体值在采样数据信息字段中)， 指定的命令帧。 Ox04表示增氧泵现在处于关闭状态，Ox05表示增氧泵现在 连接无线路由器，测试ffp服务的运行效果。 处于开启状态。 42无线传感网部分 采样数据信息，1字节长，承载当前含氧量传感器数据， 421功能 OXFF表示此帧不携带数据。 传感器网采用点一多点的星形拓扑结构。该网络层的作 五、结束语 用是：在网关中的汇聚节点依次轮询传感器节点，接收采样 经过测试，异构网关能够实现以下功能：养殖水域采样 数据；汇聚节点将采样数据汇聚后统一传给应用层；汇聚节 数据(如含氧量)的查询、传输、处理、汇总；对指定设备(如 点接收应用层来的控制数据并将其传给相应的传
20、感器节点。 增氧泵)的状态查询；对养殖水域中增氧泵或其他设备的自 422开发步骤 动控制；通过WiFi用户对历史数据文件的远程查询。 实现SI LO00 Gateway与SI1000 Node之间的点对点的简 异构网关是多个遵守不同协议的异构网络实现互连的主 单通信；实现Sll000 Gateway与SILO00 Node之间的十六进 要手段，是网络应用开发的关键所在。在技术上，网关没有 制带格式帧通信；实现异构网关与SI1000 Gateway之间的串 采用传统的PC机固然使项目实现的难度增大，但却使其更 口通信，开发SILO00 Gateway串口通信功能，将其从串口 具有实用性，有更高的
21、技术含量。无线传感网技术和嵌入式 接收的数据通过无线信道转发(广播)，并能将无线信道 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 上接收到的数据通过串口原样反馈给网关，供其解析；实 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， 现SILO00 Node的帧解析功能，可以将SI1000 Gateway发来 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)，201 1，Ol：19 【212李善荣，闫述SilO00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，201 1,03：3237 【3】李学涛基于Sil000的无线MBus通信系统【J单片机与嵌入式系统应用，2012，05：3335 【4】李晓阳WiFi技术及其应用与发展U】信息技术，2012，02：196198 104 基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目项目编号：201410293066X
