设备管理_无线感测网路闸道器的设计

水保技術, 4(3):173-179(2009) 173 論文下載網址: .tw 應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計 甘堯江 1,*、林雪淳2 1元智大學通訊工程學系 助理教授 2中國醫藥大學健康風險管理系 助理教授 一、緒論一、緒論 無線傳輸技術的蓬勃發展、半導體製程的微 小化、與微機電技術的進步，快速地擴充無線感 測網路 (wireless sensor network, WSN )的應用範 圍，其範圍包含軍事用途、環境監測、智慧家庭， 公共空間，行動空間等方面1-6。對海島型的台 灣而言，天然災害與環境污染造成人身財產安全 的損失更是嚴重，如果可以透過無線感測網路進 行環境監控並蒐集環境資料，提供防災規劃的重 要決策資訊。 實際WSN野外監控應用的架構參考H. Karl 所著無線感測網路一書7，重新繪製如圖1所 示，包含由傳送控制器(mote)與感測器(sensor)所 組成的前端感測節點(node)、連接WSN與Internet 的閘道器(gateway)、與後端的資料庫主機。 野外應用所遭遇的問題大致可歸納出：節點 與閘道器電力供應問題、WSN網路的異質感測節 點封包問題、與資料回傳的手機網路穩定性暨成 本問題等7。電力供應問題一直是學者們研發探 討的議題8-10，可以利用太陽能電板與電池加 以解決11-15，對於耗電較少的感測節點，如雨 量筒，也可以使用長效型電池的方式；因此本文 著重於異質感測節點封包處理與強化資料回傳穩 定性的研究，並將各項解決方法實現於閘道器之 中。文章第二節首先介紹使用過的水土與環境監 控的感應器特性、電路設計注意事項、與封包格 式設計。閘道器的規劃工作、感測資料轉換與功 能設計實現等詳細描述於第三節；最後一節歸納 本研究的結果。 二、水土與環境監控感測器二、水土與環境監控感測器 前端感測節點包含傳送控制器與感測器部 關鍵詞關鍵詞 水土環境監控、 無線感測網路、 閘道器 收稿：98年3月30日 修改：98年5月26日 接受：98年6月15日 摘摘 要要 本研究依據實際野外水土與環境的無線感測網路應用經 驗，針對感測網路的異質感測節點封包問題、與資料回傳的手機網 路穩定性暨成本等問題，採用分散式處理的方法，規劃前端感測節 點與閘道器的工作分配。其中將閘道器的工作以 Java 多執行緒的方 式實現閘道器中 RS232 監聽、ADC 計數與物理量的轉換、策略門檻 篩選、資料備份與 GPRS 網路連線監控等工作。透過工作的合適規 劃，系統工作相對有效並且更加穩定；另外由於硬體採用低功耗 PC 的硬體架構，所以軟體與硬體方面的開發與擴充性都較為容易。所 提出的閘道器設計可應用於無線感測網路的各項野外監控應用。 _ *通訊作者，電話：03-4638800 轉 7317； 傳真：03-4554264 E-mail address: .tw 174 應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計 圖1 WSN野外應用架構圖 份 ， 傳送控制器使用符合ZigBe 開放原始碼TinyOS 17的硬體 根據其輸出訊號特性設計如圖2的合適 換電路之後，再與傳送控制器的輸出入連接。 由於市售符合ZigBee標準的硬體節點，只提供到 M韌體，網路層以上的 買此學術上大都 式TinyOS進行 與水土環境有關 1其中除雨量筒與地表變位移 控制傳送器供給電壓外，其他感 立的消耗 器分開的 出一般的 3.3V內，所以如果感測器的輸出電壓不在3.3V 內，或是輸出為電流時，則需要使用直流對直流 (DC to DC)電壓轉放大器、或是電 流電 後，才能與傳送控制器連接。圖2(b)是加速規與 陀螺儀所組成的移動偵測模組與傳送的實作圖， 圖2(c)則是GPS模組經由RS232與傳送控制器連 接的實作圖。 控制傳送器上的微處理器(micro-control unit, 感測器的類比資料後，經由類 比數位轉換(ADC)單元，將資料轉換成整數 ADC計數(count)，再啟動無線電路傳送此ADC 的工作 以延長節點電池壽命，在前端感測節點主要分配 IO資料讀取、單位時間計數、門檻 篩選、接收與傳送無線訊號，而將ADC 計數與物理量的轉換分配到閘道器執行。其中可 選包含IO讀取錯誤篩選、誤差範圍 、線性轉換中反推的ADC計 數門檻篩選、以及字串(string)篩選。 前端感測節點包含控制傳送器與感測器，由 相 對資料轉譯功能。 的重 MCU)透過IO讀取 的 計數到閘道器端。因此，考量簡化MCU 的工作分為 (threshold) e標準16並且支援 實現的門檻篩 平台；感測器部分 內的ADC計數篩選 通常需要 轉 軟體皆需要另行購 使用自行開發程 實際的軟體開發。 的感測器列於表 動感測器可直接由 測器大都需要獨 問題，因此感測 電源。如果以輸 容許輸入電壓在 於感測器的種類繁多，所以前端無線感測網路中 允許同時存在不同大小的封包，以節省各節點的 耗電功率。但是封包標頭(header)與標尾(footer) 仍需符合TinyOS的標準 。 參考圖3的封包格式各 種感測資料g經控制傳送器讀取後放置在多點跳 躍(MultiHop)封包的資料欄位中 ， 此欄位最大可以 容納106位元組(byte)；目前使用的感測器所回傳 的資料大小除GPS模組外，都遠小於106位元 組。另外，由於網路中存在不同封包，所以閘道 器利用形態(type)欄位區分各種封包後，再執行 AC層的 且價格昂貴，因 或開放原始碼的 目前使用 ， 的外加電壓，考慮電源 通常使用與傳送控制器 而言，由於控制傳送器 三、閘道器三、閘道器 閘道器19在WSN的野外應用扮演資料轉接 換電路、電壓 壓轉換電路以連接感測器輸出端與控制傳送 器的輸入端。例如地下水位計的輸出電壓在V 級數，所以需要外加電壓放大器到mV級數，訊 號才能被傳送控制器讀取；另外，乙醚檢測器的 輸出以電流為主，因此需外加電流電壓轉換電路 要角色，也是遠端即時監控的基石；其主要 負責接收前端WSN的訊號並後傳資料到遠端伺 服器、接收遠端伺服器的指令並發送到合適的 圖2 感測器與控制傳送器銜接示意圖 甘堯江、林雪淳 175 篩選、後端網路連接、與資料 3.1 ADC計數與物理量轉換 水土與環境監控的前端感測節點所回傳訊號 因為封包性質 ， 以整數ADC計數與經篩選過的字 串為主。前端感測節點可依照其傳送到閘道器的 表1 水土與環境 別 名稱 輸入 感測器分類 輸出 物值 閘道器處別 傾斗式雨量筒 微量電壓On/Off 雨(ml) 中繼 雨與水位 感測器 地下水位計 12V 60水位*(m)線性轉換 酸鹼度計 4002000 0 V/V地下 mV酸鹼(pH) 電導度計 400 溶氧量計 400 水質感測器 濁度計 12V 400 三軸加速規 1.83.3V1. 2000 mV導電(S/cm) 2000 mV溶氧(mg/l) 2000 mVNTU* 線性轉換 83.6V 加速 (g) 隨機統計 二軸陀螺儀 33.3V 0.5 地表變位移動 感測器 GPS模組 3.3V 懸浮微 懸浮微粒器 ) 2.95V 角速 (o/s) 線性轉換 字串 時間、經緯 中繼 04V 濃(ppm) 區間比對 檢測器 檢測5V(DC CO檢測器 24V(DC)20mA 濃(ppm) 4 氨氣檢測器 24V(DC) 氣體檢測 感測器 乙醚檢測器 24V(DC) *需經過定以定義每支地下水位計的輸出電壓與 4 4 地下水 20mA 濃(ppm) 20mA 百分比(%) 線性轉換 位的轉換公式 *Nephelometric Turbidity Unit WSN前端節點。主要的工作可分為如表2所列的 接收與傳送WSN無線訊號、ADC計數與物理量 的轉換、策略門檻 資料是否需要進行轉換與方式大致分類為中繼類 (relay only)、線性公式轉換類、區間比對類、隨 機(random)統計類，請參考表1。以下各項公式除 包含基本的ADC轉換，並有自行整理的轉換公 式。 閘道器對於前端節點回送的中繼類資料，檢 查策略門檻後將接收資料傳回遠端主機；此類閘 道器的轉換公式可以定義為xxf vv =)(，其中向量x 的分量可以是整數或 數值已經是單 備份 。 由於使用的WSN控制傳送節點可利用USB 接頭與閘道器連接，閘道器即可經由序列埠接收 與傳送WSN無線訊號。而策略門檻篩選需根據 物理值與設定的條件或策略進行篩選，此與水土 專業相關，所以本文不另加討論。至於後端網路 連接部份，可利用手機網路(GPRS或3G)連通網 際網路(Internet)後，再將資料寫入後端資料庫； 當網路故障時，啟動檔案備份方式將資料存放於 閘道器，以供後續處理。最後，ADC計數與物理 的轉換部份需根據所使用的感測器而有所不同， 因此將於本節中詳細描述。另外，本節也將討論 閘道器的功能設計與相關硬體議題。 是浮點數。傾斗式雨量筒節 點回傳到閘道器的， 所以屬於典型的PS節點回傳的 數值 與氣體檢測器等。以地下水位計為例，節點的傳 送控制器讀到地下水位計的輸出電壓是以ADC 計數回傳到閘道器，閘道器對收到資料後需先根 位時間的次數 中繼類資料。而G 已經是所需的經度、緯度、與時間，也可歸 類於中繼類資料。 大部分在水土環境應用上的感測器屬於線性 公式轉換類，例如地下水位計、負重計、陀螺儀 3 多點跳躍(MultiHop)封包架構18 圖 176 應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計 據下成電壓值 列公式(1)轉 int V 2 中Vint是 DC計數 = bitADC A V (1) 其傳送控電壓it 是控制器所提供的類比數位轉換位元數。實作 上 電 int變動的問題。 制器的內在，ADC b ，節點與地下水位計使用相同的太陽能電池供 ，所以Vint保持在定值，免除V 之後，再將電壓經下列律定後的地下水位與輸出 電公式轉成地下水位， ( )baVVh+= (2) 其中a與b是律定常數，V是輸出電壓，h是地下 水位。另外，陀螺儀則是輸出電壓，閘道器再利 用公式將電壓轉成角速度(angular speed)。轉換的 過程都只使用到線性的公式，因此統稱為線性公 式轉換類。 區間比對類的感測資料主要是感測器的濃度 與電壓或電流的關係是在某區間內，並不是直接 的對應，所以通常需要將讀取值與規格圖做比 較，才能對應出濃度。此類資料處理方式先將如 圖4的規格圖作量化的動作，也就是將規格圖中 濃度圖 圖4 懸浮微粒電壓與 的濃度分成的次方區間，然後紀錄每一區間的 壓，最後再將讀取值與量化的上下 做區間比電壓 度。等分濃則有 2 對應上下限電 限電壓對，符合區間的就以該濃度 表2 各因子之偏好函數流 前端感測節點 閘道器 量 資料讀取 ADC計數與物理量 為量測濃 ,( 例如以24=16 161L 度區間， IO 的轉換 CVV)=ifor共16取個區間值，讀 biui 的 i 計數 單位時間計數 連接* 門檻篩選篩選 字串篩選 接收與傳送WSN無線 訊號 傳送WSN無線 *庫 後端網路 ADC4096/0 . 4先經= ADCV 此值當 轉換成電 與電個 以其量測濃度。請注意， 中的4的y軸最大值所決定 。 雜的是屬於 類 回隨dom le)，因，計算 (mean)riance)性 用於測的三軸加速規就是典 。根規格，電 制傳，當控在 3.6V時的靈敏度為60mV/g； 電壓為2V時，的 靈敏度為195mV/g；假設其靈敏度是線性變化， 壓值，再 區間時，則 策略門檻 壓值V落在某區間比對， 該濃度為 資料備份 接收與 區間 .0是由圖4上述公式 訊號 最複 類 ， 此 感測器資料處理隨機統計 機an傳 的 資 料 是 此需要讀取一段時間內 變 數(r 的資料variab 平均值或變異數(va後，再進行線 轉換。利 型的範例 地表變位偵 據加速規的 送器所供應 如果加速規的 制傳送器的內壓是由控 電壓為，該加速規3 該加速規當控制傳送器的內在 可連接後端資料或相關程式 則可以歸納出 )2 int ( 8 825 195+=V g S (3) 其中Sg是靈敏度(mV/g)，Vint是內在電壓， 而加速度為0g的電壓約等於Vint/2。圖中的資料 是在內在電壓是3V時所回傳的值，所以靈敏度 約是298mV/g。加速度的公式則是 () g out S VV a 2/ int = (4) 圖5顯示三軸加速規回傳各軸1024個值的統 計資料，其中x軸、y軸、z軸的平均電壓分別約 為0.4V、1.3V與1.4 對的加速 V；所以根據上述的公式，相 度為-3.7g、-0.7g、-0.3g。 3.2 功能設計 因應上述所列的閘道器工作，將其功能規劃 如圖6所示。其中WSN封包的接收傳送係經由 圖5 三軸加速規封包的分佈圖 甘堯江、林雪淳 177 序列埠(serial p rt)的方式讀取，因此需要序列埠 監聽功能 將收到的標標驗， 並抽位的封包為 封包擷取。再者，後端網機 網維持G最後， 閘的資料可透直接連 結的RS故 障 路再協入資料庫。值得注意的是在閘道器 端料直接寫入資 料庫，所以其他後端的應用軟體可以直由資料庫 展示等功能；如此除 簡化閘道器的資料處 包費用，並且後端應用軟體也可 統同 如果序列埠有資料則產 生第二階層的 封包解譯、資 o 。 而進行ADC計數與物理量轉換前須先 的封包實體層頭與證 資料，此項功能統稱 路連接在野外時以手 尾去除與 取要處理欄 路為主，所以需PRS的連通狀態。 道器處理後過TCP/IP網路 資料庫後， 圖6 閘道器功能圖 通為止；如果是連通狀態，此程序則產生第二階 寫入遠端 時，閘道器需將資料先 恢復後 資料庫；或是GP 行備份在本地端，待網 層的 式Linux作業系統與Java SE開發工 究採用耗電 A 6z平台，與Vodafone 的 PCM 備份資料後送執行緒，將備份於閘道器的檔 案資料寫入遠端資料庫。 3.3 硬體 閘道器的硬體選擇首先需考慮太陽能供電輸 出的直流電壓伏特，最大消耗功率150瓦為規 格15，其次是相容於WSN傳送控制模組與GPRS 連通的介面(USB或RS232)，最後是支援Java多執 行緒與資料庫連接的開發。所以，可以使用 ARM、VIA、Intel Atom為CPU的微型工業用電腦 為硬體平台，外加WSN傳送控制模組與GPRS模 組，再加上嵌入 建議直接連結遠端資料庫，將資 抽取資料再進行分析統計或 理量外，也降低GPRS的封 以與前端感測系 12 時開發。 閘道器的功能實現採用如圖7的Java程式與 多執行緒(thread)的方式。軟體上採用兩階層的執 行緒，主程式執行時會開啟第一階層的RS232監 控與後端網路監控兩個執行緒。RS232監控程序 保持監聽序列埠的資料， 具。本研5 的R-B1662 VIA67 Mh 伏特、4安培的欣揚電腦 資料處理執行緒，此資料處理程序 進行料擷取、策略門檻篩選；如果 後端網路使連通狀態，則寫入遠端資料庫，如果 是斷線狀態則進行資料備份。後端網路監控程序 負責監聽GPRS或3G的連接狀態，如果處於斷 線狀態，則執行類似CSMA的撥接功能，直到連 CIA GSM/GPRS Data Card，以及64MB的 DOM (Disk on Module )用於儲存裝置存放作業系 統與建立簡易檔案資料庫，實際開發的硬體平台 19的外觀如圖8所示。 圖7 閘道器程式流程圖 178 應用於環境監測之無線感測網路閘道器設計 圖8 閘道器開發平台正反面圖 四、結論四、結論 本研究依據實際野外水土與環境的應用經 驗，採用分散式處理的原則，規劃前端感測節點 與閘道器的工作分配，並將閘道器的工作以Java 多執行緒的方式實現閘道器中RS232監聽、ADC 計數與物理量的轉換、策略門檻篩選、資料備份 與GPRS網路連線監控等工作。經過此分散式處 理設計，系統相對地穩定；另外由於採用PC的 硬體架構，所以軟體與硬體擴充性都較為簡易。 所提出的閘道器可應用於無線感測網路的各項應 用。 參考資料參考資料 1 M. 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