基于 ARM-11 的野外 WSN 基站设计与开发

引言

无线传感器网络利用大量廉价传感器节点在目标区域探测并回传数据，远端计算机处理并提供信息给决策者。监测野外环境时，因为不可能做到大规模布线供给电源或传输数据，所以有线传感方案不可行，利用无线技术则可以很好地解决这个问题。野外环境不如室内环境理想，影响无线信号传输的因素不可控，可能导致数据损失较多。在现有解决方案中单个节点丢包率是80%~90%，经过多跳返回至远端计算机的数据少而且质量差，不足以作为决策依据，从而失去监控意义。

既然单个节点传输数据不可靠，那么可以用一个较大但较为可靠的设备作为中继基站，近距离高质量地接收附近节点的数据，利用成熟可靠的技术回传至远端计算机，弥补现有解决方案的不足。基于ARM11的开发板具有内存大、计算能力强、性能优异稳定的特点，适于充当这里的中继基站，实现数据的分类发送和分方式发送，并且达到数据的一个定位功能，使传感器网络回传的数据数量更多、质量更好，使决策者了解的情况更加可靠，保证了监控意义。

1基站

基站即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式，是指在一定的无线电覆盖区中，通过移动通信交换中心，与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。

基站包括宏基站、微基站、射频拉远、直放站和室内分布系统。宏基站一般有专用的机架，可以提供容量，容量大,需要机房，可靠性较好，维护方便。微基站可以看成是微型化的基站，将所有的设备浓缩在一个比较小的机箱内，可以方便安装；同时微基站和宏基站一样可以提供容量。射频拉远是指将基站单个扇区的射频部分用光纤拉到一定距离之外发射的设备，光纤拉远的基带部分安放在原基站，可以和原基站的其他扇区共用CE等资源，可以提供容量。直放站是一种信号中继器，对基站发出的射频信号根据需要放大，本身不能提供容量，其应用环境主要包括覆盖不好且容量要求比较小的区域和容量要求比较小的广域覆盖。

应用最广泛的直放站包括无线直放站和光纤直放站两大类，其中的区别主要是施主基站的信号通过无线途径还是光纤传播到直放站。室内分布系统通过将宏基站、微基站和直放站等的射频输出信号为信号源引入到需要覆盖的室内环境,来提高室内覆盖性能，本身不能提供容量，包括有源和无源两类产品。

2自适应网关设计

自适应网关的设计框图如图1所示，以ARM-11开发板为核心接收节点采集的数据，并加载GPRS模块和3G模块来实施传输。接收的数据以文本形式和多媒体图片形式进行储存，文本通过2G网络传输到终端手机，多媒体图片通过3G网络传输到终端PC。下面分别从文本、多媒体及数据类型的判定三个方面进行说明。

图1  自适应网关设计框图

2.1文本

文本中存储的是节点采集的当地的温度、湿度、光照等信息，通过ZigBee网络传送至ARM-11开发板，文件结尾以.txt为后缀名。文本存储的数据相对比较小，将借助GPRS模块,通过2G网络传输至手机终端，手机将会以短信的形式接收到信息。这样，既能够达到传输的质量和速度，对网络的负荷也相对较小。

2.2多媒体

多媒体数据是节点采集的当地周边的地理信息，以图片的形式，通过WiFi网络发送至ARM-11开发板，文件结尾以jpg为后缀名。文件存储的数据相对比较大，将借助3G模块，通过3G网络传输至终端PC，PC将会以邮件附件的形式接收到信息。这样，既能够保证图片的传输速度和质量，也能够充分利用3G网络对大文件的传输优越性，做到网络的充分利用。

2.3数据类型判定

要做到数据的自适应传输，也就是上面所说的文本数据和多媒体数据分别以2G网络和3G网络传输至终端，这里采用的是从文件的后缀名对文件一一进行判定。如果遇到后缀名为.txt，则归类为文本文件，通过2G网络传输，同样，若后缀名为.jpg，则归类为多媒体文件，通过3G网络传输，因此实现自适应传输。

具体过程如下：

对文件逐个取地址。

判定。if(filename.endsWith(".txt"))即文件后缀名是否为.txt。若判定为是，则判定其为文本数据，继而调取短信发送函数发送。

若第2步判定为非，则if(filename.endsWith(".jpg"))即判定文件名是否以.jpg为结尾。若判定为是，则文件为多媒体数据，继而通过邮件发送函数发送。

若第⑶步判定为非，则文件错误，跳过，继续取下一文件地址。

3测试

测试的重点是自适应传输。测试的环境选在西北大学信息科学与技术学院外的树林中。主要流程如下：

布置10个节点，其中5个采集温度、湿度、光照，5个采集多媒体数据；

搭建好基站初始化系统，发送采集到的文件；

终端查收文件。

基站初始化界面如图2所示，本系统的主要信息为基站名称、接收信息的手机号码、接收邮件的邮箱地址以及采集到当地坐标值。此外，还有相关的控制按钮。

图2  基站初始化主界面

图3所示是所采集的数据缩略图，其中读取的位置为开发板上外插的SD卡，从图中左侧可以得到所发文本和多媒体文件的信息。然后开始发送。

图3  采集数据列表

在接收端，首先观察终端手机接收情况，图4所示是终端手机短信图。可见，其成功收到基站发送来的8条短信，并正确接收到了短信内容，得到该地温湿度值，时延为30~50s。图5所示是观察到的邮件接收情况，同样也成功接收到8封邮件，从中选取一封邮件阅读的图像如图6所示。可见，图片信息完整,以邮件附件的形式发送得到，邮件正文为当地的坐标值，与预期结果一致，时延为40~60s。最后，得到如图7所示的发送日志

从这次发送的发送日志，可以清晰地得到这次发送成功与否的告知。

4 结 语

本文讲述了将 2G 网络和 3G 网络融合在 ARM-11 开发板上组成一个基站，然后通过节点采集野外的温、湿度、光照和图片等信息，传输至中继基站，进而传递至终端。该方法可降低野外的恶劣环境对数据传输的影响，增加数据的可靠性，减少因过多重发带来的效率不高的问题。同时，对于不同类型数据采取自适应传输，也大大提高了数据的传输，从而达到对有限的网络资源进行充分利用的目的。此外，本方法也能够对采集的数据进行定位，同时又利于决策者对数据的了解掌握。

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