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摘 要：科学技术的飞速发展,帮助各个行业领域的生产和管理效能有了极大地提升。物联网无线接入技术领域研究备受 各方关注, ZigBee 技术具有低功耗、高度可扩展性、低成本、易组网等特点,成为短距离物联网技术发展的关键主线。文章通 过自主构建出一个智能物联网应用实验及开发平台,帮助企业客户实现海量数据信息之间的安全高速的可靠性实时传输。
关键词：物联网,采集信息数据,数据传输,技术
Research on Internet of Things Data Collection and Information Transmission Technology
ZHANG Shaofeng
(CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co., Ltd., Tianjin 300131)
【Abstract】：The rapid development of science and technology has greatly improved the production and management efficiency of various industries. The research in the field of IoT wireless access technology has attracted much attention . ZigBee technology has the characteristics of low power consumption, high scalability, low cost, and easy networking, and has become the key main line of short-range IoT technology development. This paper independently builds an intelligent IoT application experiment and development platform to help enterprise customers achieve safe, high-speed and reliable real-time transmission of massive data information.
【Key words】：Internet of Things;collecting information data;data transmission;technology
1 以 ZigBee 无线网络为基础的数据、信息传输
1.1 以 ZigBee 网络作为相关节点的结构拓扑
ZigBee 网根据设备和功能的区别,是以其中某一 个相对完全相互独立存在的无线网络工作节点群为物理 基本逻辑依托,通过若干无线分组交换或通信的网络而 组成网状的星状、串链或(树)链状、网状结构等形式 的无线网络物理基本逻辑扩展与几何结构 [1]。
1.2 ZigBee 协议栈框架
要是想要有一个完整无缺且高效的协议栈体,也就 是我们常见的 ZigBee 协议栈体系,一般需要以下 6 层 协议层共同组成：(1)无线数据和应用层;(2)应用与 支持协议层;(3) 网络层;(4) 数据链路;(5) 媒体 传输和设备接入管理层 (MAC) 协议层;(6)无线物理 层 (PHY) 协议层。协议栈在系统层中包含的每一个协 议层结构上通常都同时至少也含有用于其内部特定系统层级要求的无线基本应用功能及其实现环境和应用管理 服务。中间层一般包括上一层都必须要为其在其上的任 何下一层中都提供包括了这一系列功能的一个特定的级 别的数据管理的服务,其中也包括在每上一层上的另一 个数据实体也要负责提供一个与想要和它并驾齐驱的服 务,也就是采集数据服务以及存储传输服务,那就不仅 仅需要管理它的数据实体,还需要对其搭配的任何一整 套管理服务都需要负责,并且提供服务。所以,不论是 任何一个负责数据传出的服务内容,都需要提供实体方式, 通过自身的数据接口设备实现与其在上任一层用户之间 直接进行的实时的数据交互传输及交换,为其在上层应 用系统内提供的实时数据进行交换与传输处理等服务。
1.3 MsstatePAN 协议栈的移植
国内很多的硬件平台,均是使用这一个协议微控制 器, Cortex-M3.借此来视线模块协议,也就是 CC2420模块协议。目前,在 MsstatePAN 的协议栈系统之上作 为出发点,不仅要进行修改,还需要及时更新大部分的 硬件平台,和其他的相关驱动,成功的完成了以“KEIL” 和“IAR”的平台上把所有的 MsstatePAN 系统的相关 协议栈系统转移到了同时含有 LM3S811、LM3S1138、 LM3S4749、LM3S9B96 等的一个系列的开发平台上, LM3S811/9B96 微控制器就能自动实现串行数据之间的 传输。
2 物联网的前端数据采集
这一单节主要是从温度传感器(DS18B20)、温湿度 传感器(SHT11)、三维加速度传感器(学名 MMA7260)、 光频数据自动转换器(TSL230)、在系统内应用的相关 射频模板以及射频技术系统(RFID) 等作为模板的传 感器做的介绍。
(1) 温 度 传 感 器(学 名 DS18B20)。DS18B20 功 能是控制接口功能。在这个基础上,采集、运算以及数 据转化的处理方式,都是在以 12 位数据源做基础,逐 一输入、存储到传感器芯片内部,内部分别有 8 位字 节的高速温度数据暂存器中的一个 RAM。实践及经验 研究表明,单总线方式设计组成单片机的温度传感器 DS18B20 单片机具有实现温度传感控制系统功能较简 单、易于进行设计以及扩展的性能特点和安装维护保养 成本的低廉优势等几个显著性能优点 [2]。同时,利用微 机电控制器直接进行数据读取和温度传感器数据的采集 系统的工作程序参数设置过程相对于来讲就比较清晰直 观及简单,读取系统得到数据的实际的温度值和计算精 度相对来说也比较精确。
(2) SHT11 温湿度传感器。基本结构参数类型温 湿度传感器可以使用系统内部的专用的测干高低湿度的 传感器元件、测温的探测器元件等,分别可将湿度传感 器中监控记录到传感器区域或周围空气的实测大气湿度 数值信息和实际大气温度值信号转换成产生其所相对应 传感器区域温湿度的模拟电信号,同时传感器也可以将 温湿度的模拟电信号输入传递到其外部的信号放大器系 统模块中,然后再自动存储在系统芯片内部或相应芯片 的数据寄存器中。
(3) TSL230 光频转换模块。它的学名叫做 TSL230. 原理上它是测量光照强度的,工具就是借助于硅光二极 管,这么做有 5 大优势,分别如下：1)稳定性超强;2) 相应动态非常快;3)日常可见的舞台灯光,可以借此 检测质量;4)我们日常使用的照相机,会有曝光功能, 而恰巧可以利用这个模块控制这一曝光功能;5)在各 大医学领域得以应用,例如光照分析这一方面,及其收益。其内部有 3 个组成部分,分别如下： 1)光 / 频转 换;2)频率信号处理;3)光强采集,外部采用 8 引脚 PDIP 封装。
(4) MMA7260 三维加速度传感器。这一传感器 的原理非常简单,就是用来改变处理器的休眠模式,来 降低芯片功能损耗。操作方式也很简单,主要就是输入 引脚,与此同时也会接收到一个信号,传感器就会进 入到休眠的模式,这时的传感器的电流普遍均为或小于 3μA,但是, Sleep 信号接收到另一个高平直信号时, 就会立刻恢复原来状态继续工作。采用 LOMMA7260 模块分别用于与任意两台 LM3S811 微控制器的主板接 口进行连接,模块中集成的任意三路数字模拟采样电压 转换器可以分别地用于同时与任何两个微控制器主机之 间的两路数字 A/D 电平转换信号的输入端口和输出引 脚信号的相连,并能够通过这种采用任意多路 ADC 来 进行的多通道的模拟数字采样和滤波运算的新技术方 法,就可以对这些任意的三路模拟数字的模拟和采样的 数据来分别进行模 / 数只见的转换。
(5) 作为信息采集,我们日常可以通过校园一卡通 进行采集,因为里面含有丰富的内容和我们需要的信息。 如果拥有一款多功能读卡器,我们就可以快速读取、记 录一卡通的编号。而关于读卡器这一横块,主要是使用 了 AK-RFMOD05CD 芯片,而这一模块最大的作用之 一,就是将全部所采集的编码信息,以 Wiegand 数据 协议标准来开采并且进行运输,通过 WDO 接口和一个 WD1 引脚接口进行输出,其接口电路结构如图 1 所示。 程序的调试在开始运行结束后,初始化的 PBO 和 PB1 中的上升两引脚被设置为输入方式,并能通过设置为下 降沿线上的中断来触发,当下升降两根线上均有低电平 状态信号出现之时,进入到了相应的中断服务程序中来 开始接收 Wiegan 数据。在中断服务程序中判断触发中 的引脚编号和传输数据,同时将数据存储在用户开辟的 数据缓冲区中。
使用数字示波器,对读卡器输出的信号 DATAO 线 和电信号 DATA1 线的波形进行切割,协议位图给出的 信号为高电平状态时形成的输出信号波形信号增大。分 析和波形对比分析,在读卡器模块中选择 Wiegand26 协议, 在读卡器模块中放置校园卡。Wiegand26 数据 为“00000110100010010100110111”, 数 据 波 形 与 微 机采集的数据一致。
3 信息的加密传输
在私有网络内,每次在传输数据的时间内,所有从 里面传输出来的数据和内容,都需要用最高强度的密码 算法去识别、解密和并进行安全的处理,如此才可以预 防被偷听、盗取里面的私有数据,也可以在最大程度上 保证传输的数据信息的安全性和可靠性 [3]。
3.1 信息通信的数据加密
一般无线数据的加密方法可大致通过整个无线数据 通信传输网络系统中数据传输的 3 个技术层不断的进行 加密并且实现这一功能,分别从 3 个层次上进行加密, 首先是无线链路层加密;其次是节点链加密技术;最后 是数据端到终端的加密。链路加密通常要求每个网络节 点段之间产生的无线数据和通过通信介质传输的无线数 据都是不可解释的数据,包括无线路由信息、目的地址 等数据。节点加密算法的运算实现与通信链路节点加密 技术大体一致,可以为 ZigBee 无线通信传输链路节点 的数据帧加密传输提供安全保障。在与无线网络数据进 行交换的过程中,大多数的用户以未来为目的做网络节 点是不可能,只有在精准的情况下接收相关信息,通过 自动通传的方法,才可将数据包进行解密。
3.2 常用的无线传感网数据加密算法
Shamus Software Ltd 公司研究过很多造福百姓的 数据内容,这其中就包括我们今日进行研讨的 Miracl 库,这是一个算法函数库,其基于大数据的运算原理来 进行设计的函数库,作用于编辑密码和计算密码的安全 性及保护等方面问题的应用程序时的所必要和必备的程 序,是其中一个密码算法模板库。目前,这其中之一已 经纳入了可以使用密码来实现算法大数据库,也正是我 们现实生活当中运用比较广泛的密钥, 而这种算法是可 以基于公钥加密算法。RC5.是在 1994 年诞生的,同时 由它的名字可见,它出身于提出很多编码的公司, Rsa公司的 Rivest 创造发明出来的最新型的计算法。而我们 常见的解密算法 ASE 解密法,借用了开源库内早就收集的很多的有关函数,所重新编写出了适合大众的微控 系统的专属加密程序。其流程图如图 2 所示。
4 结论与展望
为了进一步切实做到保证系统被系统采集数据记录 与网络所自动传输信息记录之间的各种相关的信息数据 自动传递信息更加完整、精准,需要在进一步考虑并综 合调研、深入分析和考虑多方面因素基础的前提上,进 行统一的、规范的、科学的方案设计,建立新一代基 于物联网系统作用平台支持下运行的网络信息数据自动 传输采集及自动数据传输和处理应用系统,降低信息数 据传输安全及保障等风险因素事故的大量发生,同时将 全面有效地提升整个通信系统整体业务运行效率的安全 性、稳定性。
参考文献
[1] 秦磊,林希佳,周轩,等.基于物联网的大数据采集与存储技术 解决方案[J].科学技术创新,2021(32):104-107.
[2] 孙建庭,班莹 .一种通用工业物联网数据采集与控制软件的 实现[J]. 电子技术与软件工程,2021(13):59-60.
[3] 吴冬方,于琦龙,孙腾,等.浅谈物联网技术在统计数据采集中 的应用[J].时代农机,2020.47(6):83-84.
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