摘  要： 提出了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)通信技術(shù)的代理服務(wù)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了具有網(wǎng)絡(luò)接口功能的代理網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn),。該節(jié)點(diǎn)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)通信的代理網(wǎng)關(guān),，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程訪問(wèn)和獲取傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)的信息。給出了精簡(jiǎn)化的TCP/IP互聯(lián)協(xié)議,，以及代理網(wǎng)關(guān)主處理程序的軟件實(shí)現(xiàn),。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；代理網(wǎng)關(guān),；Internet互聯(lián),；網(wǎng)絡(luò)接口；簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議棧

　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Networks)是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)組成的自組織網(wǎng)絡(luò),。WSN具有成本低,、功耗低、靈活性高,、可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)[1],，在民用和軍事領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用前景。特別是WSN接入到Internet已成為全新的研究熱點(diǎn),。如果能夠?qū)SN與Internet互聯(lián)起來(lái),，則可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制WSN，而且WSN也可以將信息傳輸給遠(yuǎn)端感興趣的用戶,，不僅實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控,、診斷和系統(tǒng)升級(jí)的功能，而且也促進(jìn)了用戶端共享更多的網(wǎng)絡(luò)信息資源,。而這也將進(jìn)一步促進(jìn)WSN在環(huán)境監(jiān)測(cè),、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、城市交通管理,、倉(cāng)儲(chǔ)管理,、軍事偵察等領(lǐng)域的應(yīng)用。
1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)方案分析
　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)可供開(kāi)發(fā)片上資源(如內(nèi)存等)不多,；部分應(yīng)用情形下節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多,；節(jié)點(diǎn)可以靜止也可以移動(dòng)等。因此WSN與Internet的互聯(lián)技術(shù)較之一般的設(shè)備連接Internet技術(shù)有更多的難點(diǎn)。隨著技術(shù)的發(fā)展,，提出了越來(lái)越多的方案,，這些方案在不同的場(chǎng)合有不同的應(yīng)用。綜合起來(lái)可以分為以下幾種,。
　(1)通過(guò)IPv6進(jìn)行互聯(lián)
　在某些應(yīng)用中,，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)量非常多，如果每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)IP地址,，則需要的IP地址數(shù)量眾多[2],。但實(shí)際應(yīng)用中沒(méi)有足夠的IP資源可用。而IPv6是下一代網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,，具有地址資源豐富,，可以自動(dòng)配置IP地址等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)對(duì)IP地址數(shù)量大的需求,，所以在WSN互聯(lián)Internet技術(shù)中使用IPv6協(xié)議成為一個(gè)研究方向,。但是由于Internet還是基于IPv4的TCP/IP協(xié)議，所以采用IPv6的WSN與Internet互聯(lián)需要進(jìn)行地址轉(zhuǎn)換[3],，并且目前使用IPv6的WSN還處于實(shí)驗(yàn)網(wǎng)階段,。
　(2)通過(guò)GSM/CDMA網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)
　許多WSN網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在偏遠(yuǎn)區(qū)域，那里除了移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施外沒(méi)有其他的通信基礎(chǔ)設(shè)施,，因此在這類區(qū)域中WSN互聯(lián)Internet必須借助于移動(dòng)通信網(wǎng),。移動(dòng)通信網(wǎng)覆蓋范圍廣，并且已過(guò)渡到3G CDMA網(wǎng)絡(luò),，都已經(jīng)能夠連接到Internet,。因此WSN通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)很容易連接到Internet。但通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)互聯(lián),，要求WSN節(jié)點(diǎn)有較強(qiáng)的無(wú)線射頻發(fā)射和接收功率,，這將使WSN節(jié)點(diǎn)能耗大大增加，需要增加額外的射頻硬件或發(fā)射天線,。且須支持無(wú)線通信接口的相關(guān)協(xié)議。
　(3)代理服務(wù)器結(jié)構(gòu)
　由于傳感器節(jié)點(diǎn)片上資源太少,，無(wú)法在傳感器上完整實(shí)施與Internet互聯(lián)的TCP/IP協(xié)議,，因此在傳感器網(wǎng)絡(luò)與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置一個(gè)代理服務(wù)器是比較常用的方法。使用代理服務(wù)器的WSN與Internet互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　代理服務(wù)器結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是,，如果代理服務(wù)器失效，則整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)都無(wú)法接入到Internet,。為了避免發(fā)生這種情況,，可以再使用一個(gè)備份代理網(wǎng)關(guān)。
　(4)直接實(shí)施TCP/IP協(xié)議
　在傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上實(shí)施TCP/IP協(xié)議，并與Internet直接互聯(lián)是一種比較理想的方案,。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示,。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要通過(guò)代理網(wǎng)關(guān)就能夠?qū)崿F(xiàn)與Internet無(wú)縫連接，減少傳輸時(shí)延,。但是考慮到傳感器節(jié)點(diǎn)自身因素,，這種方法大規(guī)模實(shí)施起來(lái)難度很大[5]。主要原因有：
?、僖?yàn)門(mén)CP/IP協(xié)議簇龐大,，在傳感器無(wú)法直接使用TCP/IP協(xié)議，只能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)要求實(shí)施實(shí)現(xiàn)互聯(lián)功能的主要部分協(xié)議,，這要求程序設(shè)計(jì)人開(kāi)發(fā)出一套簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議組件,。
　②部分傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于離城市較遠(yuǎn)的偏僻地區(qū),，這些地區(qū)沒(méi)有連接到Internet的基礎(chǔ)設(shè)施,，因此即使傳感器網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)實(shí)施了簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議組件，仍沒(méi)有可連接的Internet接入點(diǎn),。
?、蹖?duì)于數(shù)量眾多的WSN網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)IP地址,，則地址數(shù)量過(guò)于龐大,，目前的IPv4無(wú)法滿足要求。
?、躎CP協(xié)議是根據(jù)有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的,，有線網(wǎng)絡(luò)極少出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)差錯(cuò)，數(shù)據(jù)包的丟失主要是由于網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁塞,。而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與有線網(wǎng)絡(luò)的最大不同是,，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)極易發(fā)生高比特率錯(cuò)誤，即由于無(wú)線鏈路的原因可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)包連續(xù)丟失,，這種情況會(huì)使TCP協(xié)議無(wú)法工作,。因此TCP協(xié)議直接應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其效率極其低下,。

　由于上述原因,，這種WSN網(wǎng)絡(luò)與Internet的直接互聯(lián)目前處于研究起步階段，諸多問(wèn)題還有待解決,。
2 本系統(tǒng)采用的方案及設(shè)計(jì)
　比較分析上述各種WSN與Internet互聯(lián)的方案,，考慮到傳感器的硬件特點(diǎn)，結(jié)合目前技術(shù)發(fā)展的成熟度,，本項(xiàng)目采用代理服務(wù)器結(jié)構(gòu)來(lái)連接Internet,，如圖1所示。本結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵是代理服務(wù)器或網(wǎng)關(guān)完成的功能及系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)中的代理網(wǎng)關(guān)主要完成兩個(gè)功能,。一是在傳感器網(wǎng)絡(luò)和Internet之間起協(xié)議轉(zhuǎn)換作用,。傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)并不直接和外部Internet的主機(jī)進(jìn)行通信，所有節(jié)點(diǎn)和外部主機(jī)的通信都通過(guò)代理網(wǎng)關(guān)進(jìn)行,，同時(shí)外部主機(jī)想要查找某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)時(shí),，也是首先連接到代理網(wǎng)關(guān)，由代理網(wǎng)關(guān)進(jìn)行后續(xù)處理,。代理網(wǎng)關(guān)的另一個(gè)功能是作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的特殊節(jié)點(diǎn),， 它可以周期性地主動(dòng)訪問(wèn)并接收其他傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并將這些信息存儲(chǔ)起來(lái),。當(dāng)外部客戶端想要獲得傳感器網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)特定傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息時(shí),，可以立即從代理網(wǎng)關(guān)中存儲(chǔ)的信息中查找得到，從而加快獲得信息的響應(yīng)時(shí)間,。很明顯,，WSN的內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信方法可以自由選擇，完全可以采用已經(jīng)成熟的Ad-hoc網(wǎng)絡(luò)的各種路由技術(shù),。
　代理網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖3所示,。傳感器、無(wú)線收發(fā)器,、單片機(jī)組成普通的WSN節(jié)點(diǎn)模塊(圖3的方框內(nèi)部分),。AVR ATmegal128L單片機(jī)[6]是WSN節(jié)點(diǎn)的主控芯片，是節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信的處理器,。傳感器起數(shù)據(jù)采集作用,，采集數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換連接到單片機(jī)。WSN節(jié)點(diǎn)之間的通信通過(guò)無(wú)線收發(fā)器nRF905進(jìn)行,?？紤]到傳感器節(jié)點(diǎn)通信過(guò)程的數(shù)據(jù)處理量較大，所以外接一個(gè)存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)或暫存自己采集的或需要轉(zhuǎn)發(fā)的其他節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),。WSN與Internet互聯(lián)的代理網(wǎng)關(guān)則是在普通的WSN節(jié)點(diǎn)模塊基礎(chǔ)上,，增加CS8900A以太網(wǎng)絡(luò)控制器，可以連接到局域網(wǎng),，從而與Internet互聯(lián),。同時(shí)代理網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)MAX232連接到計(jì)算機(jī)。由于代理網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通信處理量比普通的WSN節(jié)點(diǎn)要大得多,，所以可以再增加一個(gè)RAM存儲(chǔ)器。

3 互聯(lián)協(xié)議實(shí)現(xiàn)
　TCP/IP協(xié)議簇是使Internet中的計(jì)算機(jī)能互聯(lián)通信的一組協(xié)議,。這些協(xié)議協(xié)同工作,，各自完成不同的功能，能夠?yàn)橛脩籼峁┒噙_(dá)幾十種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。在高級(jí)應(yīng)用場(chǎng)合,，操作系統(tǒng)中一般需要支持完整的TCP/IP協(xié)議簇,，但在相對(duì)單一應(yīng)用的場(chǎng)所，只需要實(shí)現(xiàn)某一種功能的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,，完整實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議簇顯得沒(méi)有必要,。首先是因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用芯片沒(méi)有足夠多的硬件資源，其次是過(guò)多的不需要的功能會(huì)減慢系統(tǒng)響應(yīng)速度,。對(duì)于本項(xiàng)目的傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián),，管理人員僅需要傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的相關(guān)數(shù)據(jù)，一般通過(guò)交互式Web服務(wù)器就可以得到,，所以只需要應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)HTTP協(xié)議就可以了,，其他應(yīng)用層程序都可以舍棄不予實(shí)現(xiàn)。
 目前國(guó)際上許多嵌入式產(chǎn)品供應(yīng)商都根據(jù)嵌入式產(chǎn)品所實(shí)現(xiàn)功能的需要,，在TCP/IP協(xié)議套件的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)化,，根據(jù)具體的應(yīng)用提供不同的協(xié)議模塊，保留基本的網(wǎng)絡(luò)通信功能,，在可移植性方面做了各具特色的改進(jìn),。本項(xiàng)目對(duì)TCP/IP協(xié)議的精簡(jiǎn)參考了他們的做法[7]，在協(xié)議程序代碼的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,，主要考慮了以下兩點(diǎn)：
　(1)精簡(jiǎn)代碼,。根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)Internet的應(yīng)用要求，盡量簡(jiǎn)化TCP/IP協(xié)議簇,，只實(shí)現(xiàn)基本的,、必要的功能，使生成的二進(jìn)制代碼盡量精簡(jiǎn),，這樣做能夠顯著提高系統(tǒng)與傳感器網(wǎng)絡(luò)的交互能力,，能夠適應(yīng)傳感器節(jié)點(diǎn)上有限的內(nèi)存空間以及芯片處理速度。如圖4所示,，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的互聯(lián)協(xié)議如圖中的灰色方框中的協(xié)議所示,，實(shí)現(xiàn)的是TCP/IP協(xié)議簇的一部分協(xié)議。

　(2)強(qiáng)移植性,。傳感器的類型和型號(hào)眾多,。精簡(jiǎn)后的協(xié)議程序應(yīng)盡量能夠應(yīng)用于不同類型的傳感器元件。如果精簡(jiǎn)后的程序在一種類型的傳感器上運(yùn)行良好,，而在另一種類型的傳感上無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián),，需要重新進(jìn)行復(fù)雜的軟件開(kāi)發(fā)工作，則大大增加開(kāi)發(fā)的工作量,。因此精簡(jiǎn)后代碼的可移植性是非常重要的,。這樣,，在對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行升級(jí)或者更換時(shí)，除了與硬件直接相關(guān)的部分代碼需要重新開(kāi)發(fā)外,，不需要對(duì)整個(gè)互聯(lián)協(xié)議進(jìn)行大的修改,。
　本項(xiàng)目精簡(jiǎn)后的互聯(lián)協(xié)議組件稱為sip，意義為一個(gè)小型(small)TCP/IP協(xié)議組件,。在本文第4節(jié)的代理網(wǎng)關(guān)主處理程序中出現(xiàn)的sip就是本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化互聯(lián)協(xié)議組件,。
4 代理網(wǎng)關(guān)主處理程序
　代理網(wǎng)關(guān)實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序。它能夠接收WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息,，并將其按照TCP/IP協(xié)議的要求轉(zhuǎn)換成合適的數(shù)據(jù)格式,。如果得到返回給WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則按照WSN的要求將其轉(zhuǎn)換成適合于傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式,。代理網(wǎng)關(guān)的功能相對(duì)復(fù)雜,，其硬件和軟件設(shè)計(jì)在前面兩節(jié)中已討論過(guò)，這里只給出代理網(wǎng)關(guān)的主處理程序,。
　主處理程序的主要功能是通過(guò)簡(jiǎn)化的互聯(lián)協(xié)議,，實(shí)現(xiàn)與傳感器節(jié)點(diǎn)、Ethernet網(wǎng)絡(luò)接口的數(shù)據(jù)交互,。因此在主處理程序的開(kāi)始部分,，首先對(duì)定時(shí)器、串口接口,、Ethernet接口初始化,。硬件初始化成功以后，開(kāi)始啟動(dòng)簡(jiǎn)化的TCP/IP互聯(lián)協(xié)議,，接著對(duì)arp協(xié)議和應(yīng)用程序進(jìn)行初始化,。初始化完成后，主處理程序?qū)⒉煌５剡M(jìn)行查詢,，如果接收到新的數(shù)據(jù)包則發(fā)送給eth_send()函數(shù)進(jìn)行處理,，如果沒(méi)有新數(shù)據(jù)包到達(dá)，則由sip_periodic()函數(shù)處理定時(shí)事件,。主處理程序的部分程序代碼如下,。
void main(void)
{init _timer ()；     //用戶自定義定時(shí)器初始化程序
 init_serial (),；    //用戶自定義串口初始化程序
 init_8900a(),；    //Enternet接口初始化，需用戶定義
 sip_init(),；       //對(duì)簡(jiǎn)化的互聯(lián)協(xié)議sip初始化
 init_httpd (),；     //定義web應(yīng)用程序
 sip_arp_init()；       
 while(1)
　 {sip_len=eth_reve,；  
 　if(sip_len==0)     //無(wú)數(shù)據(jù)接收,，開(kāi)始定時(shí)輪詢
　  　　{for(i=0,；i<SIP_CONNS；i++)   
　　　   　{sip_periodic(i),；           
　　　　　    if(sip_len>0)           
　　　　　　　        {sip_arp_out()；      
               eth_send(),；        
　　　　            }
         }
　　　}
else if(sip_len>0)      //接收并處理數(shù)據(jù)
         {sip_arp_ipin(),；                             
　　　　　sip_len=sizeof(struct sip_eth_hdr)；           
　　　　　sip_input(),；                              
　　　　　if(sip_len>0)          
           {uip_arp_out(),；     
　　　　　　　       eth_send()；
             }
           }
}
　簡(jiǎn)化后的互聯(lián)協(xié)議棧的鏈路層部分由網(wǎng)絡(luò)控制器CS8900A完成,，網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層由單片機(jī)來(lái)處理,。應(yīng)用層則根據(jù)需要可以在單片機(jī)內(nèi)完成，也可以由單片機(jī)轉(zhuǎn)給用戶或終端設(shè)備完成,。除了WEB服務(wù)之外,，盡管其他應(yīng)用層服務(wù)像SMTP協(xié)議支持功能也可以根據(jù)需要編寫(xiě)相應(yīng)的代碼[8]，但一般不需要添加額外太多的應(yīng)用層服務(wù),。
本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)系統(tǒng),，在實(shí)際中得到了成功應(yīng)用。筆者下一步工作重點(diǎn)是在系統(tǒng)中增加支持通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)互聯(lián)到Internet的功能,，以使本系統(tǒng)能夠應(yīng)用于那些通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)互聯(lián)到Internet的環(huán)境,。
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