无线网卡传感器网络研究现状与应用

无线网卡传感器网络研究现状与应用

彭家和

云南经济管理学院云南省650304

摘要：现阶段，随着社会的发展，我国的科学技术的发展也突飞猛进。无线传感器网络（WSN）是伴随着计算机技术、传感器技术和无线通信技术这些领域的快速发展而产生且不断发展的，且该网络由大量的传感器节点构成，这些节点部署在桥梁、管道等不同区域，节点不断地检测周边环境，例如热、温度、湿度、红外、光等信息获取温度、湿度、光、声音、震动等信号，并利用无线信号通过一跳或多跳路由将传感数据发送到基站，多节点协作，完成对目标区域的监测、采集、处理和传输，并及时将结果告知用户。

关键词：无线网卡传感器；网络研究现状；应用

引言

自动化（Automation）是指机器设备、系统或过程，在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期的目标。自动化是工业化进程中最为重要的一环，而先进自动化则是信息化不可缺少的一环。信息化包括三个阶段，计算机化，网络化，先进自动化。可以看出，网络化是先进自动化实现的先决条件，网络技术尤其是目前兴起的无线网络技术的发展则巨大地推动了先进自动化技术向前发展，使人类社会大步向信息化迈进。

1无线网络技术

无线网络是对应于有线网络产生的一种新型网络，它和有线网络最大的区别在于传输媒介不同。一般有线网络是依靠同轴电缆、双绞线、光纤等有形媒介进行组网，而无线网络则依靠红外线、微波等无形媒介进行组网通讯。无线网络的起源可以追溯到二战时期，美军为了传递战场信息，建立了一种带有高强度加密的无线电传输网络，为盟军取得战争的最终胜利提供了极大的帮助。虽然无线网络技术起源于军事应用，但它在民用领域的应用可以用飞速发展这个词来形容。

发展到现在，类似于有线网络，无线网络根据覆盖范围和实现的功能来分主要可以分为四类，即无线个人网（WirelessPersonalAreaNetwork）、无线局域网（WirelessLocalAreaNetwork）、无线城域网（WirelessMetropolitanAreaNetwork）和无线广域网（WirelessWideAreaNetwork）。

由于无线网络技术的关键是如何寻找有效地传输技术使信息能够在无形介质中传播，传输距离和传输速率成为一个很大的限制因素，所以我们发现无线网络的发展轨迹是由短距离无线网向长距离乃至超长距离无线网发展。目前来看，无线个人网以及无线局域网技术已经比较成熟，而无线城域网和无线广域网技术则还处在起步阶段。无线个人网是依靠蓝牙、红外线等短距通讯技术来建立的网络，一般涉及属于同一个人的笔记本电脑、PDA、手机等设备的组网，传输距离一般在10米以内。无线局域网是依靠射频技术在一个办公室或者一栋建筑中组建的网络，主要连接带有无线网卡的设备，传输距离一般在100米以内。而无线城域网和无线广域网则是用于连接无线局域网的技术，这个领域是目前无线网络研究的热点，无线城域网的传输距离可达1000米，而无线广域网更是可以达到15千米，这两项技术的目标都是能够提供远距离高速率的无线通讯方式。

2系统总体设计方案

随着工业生产自动化发展，物联网在工业生产中的应用愈加广泛。物联网允许用户远程监控物品/对象并发送配置。有研究者估计，到2020年，物联网将包含近500亿台设备。为便于监控生产过程，用户产生可远程查看传感器数据、调节监控频率的需求，同时当有新的传感器系统时，用户可进行远程更新，而不是通过USB连接电脑更新。因此，本文根据以上两点需求，在传感器上采用Fre⁃eRTOS实时系统，在此基础上，开发两个子系统，分别为远程实时监控系统和远程固件更新系统，并将其合并成一个总系统。

2.1传感器操作系统

传感器需完成两个任务，即获得传感器数据并发送到服务器，进行即时远程固件更新，同时还需兼顾工厂环境监测，因此实时性对操作系统十分重要。FreeRTOS实时操作系统作为一个轻量级操作系统，具有一个可扩展的实时内核，采用多线程方法。其中每个进程均可中断，调度程序可在线程之间切换，为低端设备提供实时、抢占式多任务环境，并确保在任何给定时间段内执行更高优先级的任务。如果两个任务具有相同的优先级，则调度程序根据同一优先级的任务共享CPU的使用时间，时间短的任务优先运行。任务执行遵循基于优先级的循环实现。FreeRTOS内核使用4个C文件（task.c，list.c，queue.c，croutine.c）构建，其中task.c通过使用list.c文件的结构和函数提供调度功能，queue.c文件提供一个线程安全队列，实现任务间通信与同步，croutine.c可实现简单的轻量级任务。因此有必要采用FreeRTOS系统，确保在正确的时间里完成必要任务。

2.2远程实时监控系统

系统通过WiFi传输传感器数据，并将传感器数据可视化。两种数据传输协议比较如下所示。

2.2.1MQTT协议

MQTT即消息队列遥测传输（MessageQueuingTeleme⁃tryTransport），是由IBM开发的一种针对LWM2M通信的协议。该协议构建于TCP/IP协议之上，以发布/订阅的方式工作。与传统发布/订阅客户端相比，该协议工作方式可满足物联网需求，即无需不断更新请求。同时，MQTT协议可大量减少使用的网络带宽与资源，如基于MQTT协议的Facebook聊天软件。

2.2.2HTTP协议

HTTP即超文本传输协议（HyperTextTransferProto⁃col），该协议基于TCP/IP协议，可提供可靠的通信。然而，由于通过TCP建立连接，访问的数据根据IP地址、URL及其关系进行转移，过程动态可变。在每次访问时连接会被释放，即完成一次通信，需要多次建立、释放同一个连接。通过比较两种协议，可以发现在通信过程中，HTTP采用大量微小的数据传输块，消耗大量网络资源，导致网络性能下降，且IP寻址取决于物理位置，引起网络控制复杂性问题。HTTP协议是一个对称协议，而MQTT协议是一个轻量级不对称结构，该结构具有非智能分布式设备与服务器通信所需的智能能力。综上所述，MQTT协议更适合传感器与服务器之间的数据交换。

2.3远程固件更新系统

物联网设备在通信过程中通常采用短消息进行消息传递，这对于固件更新是一种大型负载传递。CoAP协议即受限制的应用协议，采用基于块的传输方式，即块状转移，处理大负载消息传递。该协议将大型资源拆分成块大小的多个资源，通过以消息的有效负载形式进行传输。接收方对已接受到的消息块进行标志后，请求下一消息，当接收到所有消息后，重组所有的块即接收到完整的资源包。CoAP协议由IETF的CoRE工作组提出，是一种以HTTP协议为基础的协议。由于传统HTTP协议对于资源受限制的设备过于庞大，而CoAP协议基于HTTP协议，可实现请求与响应同步，并且该协议基于REST架构风格，用户可以像使用HTTP协议一样应用CoAP协议，所以本文采用CoAP协议进行传感器固件传输。

2.4依靠无线网络组成远程监测系统

现代化的工业生产需要高质量的监测系统来维护整个生产系统的可靠性。以电力生产为例，电力从发电厂发出来往往需要经过长距离的传输，为了降低线路损耗，输电方式往往会采用高压输电，如何维护输电线路的安全就显得至关重要，而基于无线网络的自动化技术则很好的解决了这一问题。目前国内外已经开发了多种输电线路监测装置，通过在主要的输电塔上装配带有视频功能的无线监测装置，将输电线的实时图像记录下来，图像经过压缩处理之后通过无线网络发送到电力调控室。控制人员通过分析图像可以判定线路状况，如输电线路结冰，则启动相应的除冰设备对输电线路进行除冰。还有一种应用前景十分看好的输电线路监测装置是无线输电线路巡检车，这种巡检车是无人驾驶的，依靠远程控制，可以沿着设计的线路行驶，在车上配备有高精度的摄像机，可以用于拍摄输电线路的状态，同时在车上配备有红外线测温装置，可以用于直接测量输电线路的温度。这样在办公室里的工作人员便可以对输电线路的状况一览无余，并且摆脱了时间限制，配合照明设施可以在夜晚继续对线路进行巡检。

结语

纵观无线传感器网络安全技术专利申请情况，可以看出，无线传感器网络安全技术的快速发展历程，同时对密钥管理、入侵检测等多种技术的分析与总结，利用安全管理和安全协议来解决安全问题。目前，无线传感器网络安全的研究仍需要进一步深入，今后会提出更加完备的安全工作机制。

参考文献：

［1］罗俊，孙国耀.基于WiFi无线传感器网络的工业环境监测平台系统设计［J］.仪表技术与传感器，2018，8：65-68.

作者简介：彭家和，男，汉族，云南大理，1966.06，副教授，研究生，研究方向：通信网络工程。