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摘 要：无线传感器系统是由传感器节点和数据中心共同组成，系统收集到的信息由传感器节点首先进行加密以及编码等的处理，然后用近程无线通信模块上传到数据中心；传感器节点上传来的信息经过数据中心编码、加密、压缩，之后再经过4G无线网络这一途径上传到数据服务器。该系统的主要优点是能耗量低、前期投入少、可靠而且环保，能够在生活中广泛地应用。
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0312-02
1 研究背景及意义
1.1 研究背景
无线传感器网络（WSN）是一种网络，它由传感器节点构成的，这种网络能够实时地观察和感知布置采集节点区域内特别的事物的各种信息（如温度、光强、湿度），系统先对这些由网络采集到的信息进行处理，然后再将这些信息以无线的形式发送出去，通过4G无线网络发送给最终的终端用户。随着科学通信技术、嵌入式技术和传感器技术的快速发展和逐渐趋向成熟，能够感知、计算、通信、路由功能的微传感器节点不停地更新换代，由这些节点组成的无线传感器网络特别地受关注。无线传感器网络在工业控制、智能家居、医疗健康等方面的广泛运用而成为当今最受欢迎的科研方向之一，被公认是对21世纪产生深远意义的新兴技术。本研究主要研究基于4G通信网络的WSN信息远距离传输技术，目的是找寻一种高效经济、能够适用于较大数据量的远程传输方式。当前，针对基于4G通信网络的WSN数据远程传输，尽管有大量厂商和研究者对其进行研究，但其大多都处在起步阶段，还不够成熟，需要进行更深层次的研究和开发。本课题着重于分析并研究如何有效地利用4G通信网络进行远程数据并降低成本高效传输，而且能够保障数据的正确性、完整性，以便于满足偏远地区或无internet网络覆盖区域下WSN数据的远程传输，完善对WSN覆盖区域的远程实时监测目的。
1.2 研究意义
本项目分析并研究如何有效利用4G通信网络进行远程数据的低成本高效传输，并能够保障在数据的正确性、完整性，以便于满足偏远地区或无internet网络覆盖区域下WSN数据的远程传输要求，完成对WSN覆盖区域的远程实时监测目的。本项目能将WSN与4G通信技术有效地结合在一起，在需要远程实时监测给定区域的实际应用中具有重要经济价值。无线传感器网络引起了全世界广泛地关注，被认定是互联网之后的第二大网络。无线传感器网络被认为是21世纪最具影响的技术之一，位居改变世界的十大新兴技术之首，是全球未来的四大高新技术产业之一。在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步，它已经成为我国在信息领域位居世界前列的少数项目之一。
2 项目内容
研究一种新型的无线传感器网络，这种网络的特点是同构分组的网络结构。在许多情况下，传感器节点被随机布置在某一个区域，而且节点事先无法知道自身所处的位置，因此需要在节点部署后通过定位技术来获取自身的位置信息。目前定位技术最常用的就是GPS（Global Positioning System），通过卫星它能够对节点进行定位，而且能够达到较高的精度和准确度。如果想要定位布置区域内的传感器节点，最方便简单的就是在每个节点上配备一个GPS接收器。
3 项目设计
本作品为无线传感器网络，可以为嵌入式网关系统硬件设计选择器件，充分将嵌入式技术、短距离无线通信技术以及GPRS技术融为一体，很完美地完成了此次研究的內容。
3.1 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络系统由由三方面构成，它们分别是传感器节点（sensornode）、网关节点（sinknode）和终端用户。在监测区域布置大量的相应的传感器节点，节点通过系统设定的方式构成传感器网络。传感器节点收集到的大量数据经过系统元件上传到到网关节点，网关节点在对数据进行融合、分析等处理后，然后用有线或无线的方式将数据传送给最后的终端用户。用户通过终端对传感器网络进行控制和使用，发布监测指令和采集观测数据。
3.2 网关节点特点及其功能
作为布置区内传感器节点连接外部网络或终端的桥梁，海量的数据需要通过网关节点来处理，必须要具备迅速、海量存储和远程传输等的功能，即前期成本投入低、能耗量少。布置在环境条件比较复杂的区域，因为长期多次更换能源很困难，所以要考虑到充足的能源，整个设计的关键环节之一就是低功耗设计。网关节点在完成不同网络间协议转换的同时，还要对传感器网络进行管理和设置。
3.3 网关节点硬件设计
依据设计原则，在很好地实现上述网关节点功能的同时，为克服因传统网关采用有线方式（如串口电缆RS232）与终端用户相连而导致的移动范围受限、远程监控困难、不能准确提供基准定位信息等一系列缺点，参照当今较为前沿的嵌入式技术、来短程的无线通信技术进行设计。
4 硬件设计
4.1 采集核心模块
采用当今较为主流的ARMSTM32F103C8T6作为采集数据处理器。STM32F103Cortex-M3的绝对优势在于能够将能耗低、成本低、性能好3者结合，在工控行业，终端用户提出超快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，全部基于硬件进行中断处理技术，最多可减少12个时钟周期数，在现实运行中可减少70%中断。而且Cortex-M3的处理精度比STC系列的单片机处理精度要高，并且它的稳定性好，既能满足消费者对于高精度要求，也能为我们开发产品提供了一个广阔的平台。
4.2 传感器模块
4.2.1 DHT11温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有以校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，传感器可以检测周围环境的湿度和温度；并与一个高性能32位STM32F103单片机相连接。因此该产品具有性能优越，反应快速，抗干扰能力强，性价比极高等优点。 （1）湿度测量范围：20～95%（0～50℃范围）湿度测量误差：±5%。
（2）温度测量范围：0～50℃温度测量误差：±2℃。
（3）工作电压3.3～5V。
（4）输出形式数字输出的温度及湿度。
4.2.2 BH1750FVI光照传感器
BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率这一优点可以探测较大范围的光强度变化。
4.3 ESP8266WIFI模块
ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有同一领域极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。硬件接口多样化，适用于各种物联网应用场合，可支持UART，IIC，PWM，GPIO，ADC等。
特性：
（1）支持无线802.11b/g/n标准。
（2）支持STA/AP/STA+AP三种工作模式。
（3）内置TCP/IP协议栈，支持多路TCPClient连接。
（4）支持丰富的SocketAT指令。
（5）支持UART/GPIO数据通信接口。
（6）支持SmartLink智能联网功能。
（7）支持远程固件升级（OTA）。
（8）内置32位MCU，可兼作应用处理器。
（9）超低能耗，适合电池供电应用。
（10）3.3V单电源供电。
4.4 Zigbee无线模块
采用无线串口ZigBee模块，相比传统的ZigBee，不仅无需了解复杂的协议栈，而且地址可配置，更简单、更稳定，使得开发更加方便快捷。模块上电后会自动组成多跳网状网络，完全不需要用户干预。每个模块都可以给网络中的随便一个节点传送数据。带有确认传输功能，无线传输使用CRC校验，最多重传15次。网络当中任意一个节点发生故障不会影响到整个网络的继续运行，具有很強的性能。最大可支持130个模块组成网络，模块地址可通过Uart进行修改。单个包长可达63字节，带有数据包缓冲机制。使用uart作为交互接口。波特率可调。使用长度可变的包传输数据，使用安全的数据模式。支持端口分割机制。程序工作比较稳定。操作系统基于线程切片，工作稳定。使用内存池代替堆完成动态内存分配，长期工作不产生内存文件。模块带有相应的指示灯。模块带有相应的定位指示灯，可以在别处点亮，方便寻找。
4.5 电源模块
而本研究项目为了提供大容量电量并且稳定输出的电压，以便于使用持久，电压选择多等，因此使用大电容量12V锂电池，经过LM2596ADJDC-DC降压电源模块能够将12V的电压降压至3.3V，输出电流稳定，能够满足作品各部分对电压要求。其中LM2596ADJDC-DC降压电源模块和AMS1117-3.3V稳压模块是购买成品模块。
5 软件算法
（1）节点实时采集温湿度的数据，然后经过ZigBee模块将这些数据传送给主节点。
（2）主节点能够接收各节点数据，直接经过WIFI模块发送到新浪云平台，然后新浪云平台保存数据信息，并将数据在手机APP同步显示出来。
6 系统测试及结果
给系统通电后，手机APP能够正确地显示每个节点的数据，经过很多次测试，由于网络以及其性能问题，应该会有几秒钟的延迟，但是影响不大。
基金项目：天津职业技术师范大学大学生创新创业训练计划项目资助（201710066047）。
收稿日期：2018-7-13
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）24-0312-02
1 研究背景及意义
1.1 研究背景
无线传感器网络（WSN）是一种网络，它由传感器节点构成的，这种网络能够实时地观察和感知布置采集节点区域内特别的事物的各种信息（如温度、光强、湿度），系统先对这些由网络采集到的信息进行处理，然后再将这些信息以无线的形式发送出去，通过4G无线网络发送给最终的终端用户。随着科学通信技术、嵌入式技术和传感器技术的快速发展和逐渐趋向成熟，能够感知、计算、通信、路由功能的微传感器节点不停地更新换代，由这些节点组成的无线传感器网络特别地受关注。无线传感器网络在工业控制、智能家居、医疗健康等方面的广泛运用而成为当今最受欢迎的科研方向之一，被公认是对21世纪产生深远意义的新兴技术。本研究主要研究基于4G通信网络的WSN信息远距离传输技术，目的是找寻一种高效经济、能够适用于较大数据量的远程传输方式。当前，针对基于4G通信网络的WSN数据远程传输，尽管有大量厂商和研究者对其进行研究，但其大多都处在起步阶段，还不够成熟，需要进行更深层次的研究和开发。本课题着重于分析并研究如何有效地利用4G通信网络进行远程数据并降低成本高效传输，而且能够保障数据的正确性、完整性，以便于满足偏远地区或无internet网络覆盖区域下WSN数据的远程传输，完善对WSN覆盖区域的远程实时监测目的。
1.2 研究意义
本项目分析并研究如何有效利用4G通信网络进行远程数据的低成本高效传输，并能够保障在数据的正确性、完整性，以便于满足偏远地区或无internet网络覆盖区域下WSN数据的远程传输要求，完成对WSN覆盖区域的远程实时监测目的。本项目能将WSN与4G通信技术有效地结合在一起，在需要远程实时监测给定区域的实际应用中具有重要经济价值。无线传感器网络引起了全世界广泛地关注，被认定是互联网之后的第二大网络。无线传感器网络被认为是21世纪最具影响的技术之一，位居改变世界的十大新兴技术之首，是全球未来的四大高新技术产业之一。在无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步，它已经成为我国在信息领域位居世界前列的少数项目之一。
2 项目内容
研究一种新型的无线传感器网络，这种网络的特点是同构分组的网络结构。在许多情况下，传感器节点被随机布置在某一个区域，而且节点事先无法知道自身所处的位置，因此需要在节点部署后通过定位技术来获取自身的位置信息。目前定位技术最常用的就是GPS（Global Positioning System），通过卫星它能够对节点进行定位，而且能够达到较高的精度和准确度。如果想要定位布置区域内的传感器节点，最方便简单的就是在每个节点上配备一个GPS接收器。
3 项目设计
本作品为无线传感器网络，可以为嵌入式网关系统硬件设计选择器件，充分将嵌入式技术、短距离无线通信技术以及GPRS技术融为一体，很完美地完成了此次研究的內容。
3.1 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络系统由由三方面构成，它们分别是传感器节点（sensornode）、网关节点（sinknode）和终端用户。在监测区域布置大量的相应的传感器节点，节点通过系统设定的方式构成传感器网络。传感器节点收集到的大量数据经过系统元件上传到到网关节点，网关节点在对数据进行融合、分析等处理后，然后用有线或无线的方式将数据传送给最后的终端用户。用户通过终端对传感器网络进行控制和使用，发布监测指令和采集观测数据。
3.2 网关节点特点及其功能
作为布置区内传感器节点连接外部网络或终端的桥梁，海量的数据需要通过网关节点来处理，必须要具备迅速、海量存储和远程传输等的功能，即前期成本投入低、能耗量少。布置在环境条件比较复杂的区域，因为长期多次更换能源很困难，所以要考虑到充足的能源，整个设计的关键环节之一就是低功耗设计。网关节点在完成不同网络间协议转换的同时，还要对传感器网络进行管理和设置。
3.3 网关节点硬件设计
依据设计原则，在很好地实现上述网关节点功能的同时，为克服因传统网关采用有线方式（如串口电缆RS232）与终端用户相连而导致的移动范围受限、远程监控困难、不能准确提供基准定位信息等一系列缺点，参照当今较为前沿的嵌入式技术、来短程的无线通信技术进行设计。
4 硬件设计
4.1 采集核心模块
采用当今较为主流的ARMSTM32F103C8T6作为采集数据处理器。STM32F103Cortex-M3的绝对优势在于能够将能耗低、成本低、性能好3者结合，在工控行业，终端用户提出超快的中断速度，Cortex-M3采用了Tail-Chaining中断技术，全部基于硬件进行中断处理技术，最多可减少12个时钟周期数，在现实运行中可减少70%中断。而且Cortex-M3的处理精度比STC系列的单片机处理精度要高，并且它的稳定性好，既能满足消费者对于高精度要求，也能为我们开发产品提供了一个广阔的平台。
4.2 传感器模块
4.2.1 DHT11温湿度传感器
DHT11数字温湿度传感器是一款含有以校准数字信号输出的温湿度复合传感器。传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，传感器可以检测周围环境的湿度和温度；并与一个高性能32位STM32F103单片机相连接。因此该产品具有性能优越，反应快速，抗干扰能力强，性价比极高等优点。 （1）湿度测量范围：20～95%（0～50℃范围）湿度测量误差：±5%。
（2）温度测量范围：0～50℃温度测量误差：±2℃。
（3）工作电压3.3～5V。
（4）输出形式数字输出的温度及湿度。
4.2.2 BH1750FVI光照传感器
BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用它的高分辨率这一优点可以探测较大范围的光强度变化。
4.3 ESP8266WIFI模块
ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi透传模块，拥有同一领域极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。硬件接口多样化，适用于各种物联网应用场合，可支持UART，IIC，PWM，GPIO，ADC等。
特性：
（1）支持无线802.11b/g/n标准。
（2）支持STA/AP/STA+AP三种工作模式。
（3）内置TCP/IP协议栈，支持多路TCPClient连接。
（4）支持丰富的SocketAT指令。
（5）支持UART/GPIO数据通信接口。
（6）支持SmartLink智能联网功能。
（7）支持远程固件升级（OTA）。
（8）内置32位MCU，可兼作应用处理器。
（9）超低能耗，适合电池供电应用。
（10）3.3V单电源供电。
4.4 Zigbee无线模块
采用无线串口ZigBee模块，相比传统的ZigBee，不仅无需了解复杂的协议栈，而且地址可配置，更简单、更稳定，使得开发更加方便快捷。模块上电后会自动组成多跳网状网络，完全不需要用户干预。每个模块都可以给网络中的随便一个节点传送数据。带有确认传输功能，无线传输使用CRC校验，最多重传15次。网络当中任意一个节点发生故障不会影响到整个网络的继续运行，具有很強的性能。最大可支持130个模块组成网络，模块地址可通过Uart进行修改。单个包长可达63字节，带有数据包缓冲机制。使用uart作为交互接口。波特率可调。使用长度可变的包传输数据，使用安全的数据模式。支持端口分割机制。程序工作比较稳定。操作系统基于线程切片，工作稳定。使用内存池代替堆完成动态内存分配，长期工作不产生内存文件。模块带有相应的指示灯。模块带有相应的定位指示灯，可以在别处点亮，方便寻找。
4.5 电源模块
而本研究项目为了提供大容量电量并且稳定输出的电压，以便于使用持久，电压选择多等，因此使用大电容量12V锂电池，经过LM2596ADJDC-DC降压电源模块能够将12V的电压降压至3.3V，输出电流稳定，能够满足作品各部分对电压要求。其中LM2596ADJDC-DC降压电源模块和AMS1117-3.3V稳压模块是购买成品模块。
5 软件算法
（1）节点实时采集温湿度的数据，然后经过ZigBee模块将这些数据传送给主节点。
（2）主节点能够接收各节点数据，直接经过WIFI模块发送到新浪云平台，然后新浪云平台保存数据信息，并将数据在手机APP同步显示出来。
6 系统测试及结果
给系统通电后，手机APP能够正确地显示每个节点的数据，经过很多次测试，由于网络以及其性能问题，应该会有几秒钟的延迟，但是影响不大。
基金项目：天津职业技术师范大学大学生创新创业训练计划项目资助（201710066047）。
收稿日期：2018-7-13