遠程監(jiān)控是當前國內外的前沿技術課題之一。遠程監(jiān)控是指本地計算管理端通過公共Internet網(wǎng)絡、公共無線通信網(wǎng)絡、局域網(wǎng)等對遠端監(jiān)測區(qū)域進行監(jiān)測和設備控制，完成對遠程目標系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)控及設備的啟動、關閉、維護等功能。遠程監(jiān)控具有節(jié)省人力資源、可監(jiān)控惡劣環(huán)境或不可達的區(qū)域、方便測量實時數(shù)據(jù)等優(yōu)點。但目前的遠程監(jiān)控系統(tǒng)" title="遠程監(jiān)控系統(tǒng)">遠程監(jiān)控系統(tǒng)存在著成本高、設備數(shù)量少、有線網(wǎng)絡不可達、精確性不高等問題。
　　無線傳感器網(wǎng)絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內部或附近的大量廉價微型傳感器節(jié)點" title="傳感器節(jié)點">傳感器節(jié)點通過自組織方式構成的網(wǎng)絡^[1]。無線傳感器網(wǎng)絡具有低成本、低能耗、靈活性高、可擴展等優(yōu)點，可以廣泛地應用于國防軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、農業(yè)監(jiān)測控制、智能家居、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領域。
　　IPv6是下一代互聯(lián)網(wǎng)的核心協(xié)議，具有地址資源豐富、地址自動配置、支持實時業(yè)務、安全性高、移動性好等優(yōu)點。將IPv6與無線傳感器網(wǎng)絡結合構建的IPv6無線傳感器網(wǎng)絡，可以滿足目前無線傳感器網(wǎng)絡在地址、安全、移動及與現(xiàn)有網(wǎng)絡融合等方面的需求，已成為無線傳感器網(wǎng)絡的研究熱點之一。
　　通過公共通信網(wǎng)絡和基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡融合的遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠解決遠程監(jiān)控中存在的成本、數(shù)量、通信方面的諸多問題，是遠程控制發(fā)展的必然趨勢。
　　本文提出了一種公共無線通信網(wǎng)絡和基于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡融合的遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，構建了其特定的體系結構，重點介紹了該應用系統(tǒng)的軟硬件平臺、功能及性能，最后通過在精準農業(yè)生產中的應用表明了該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測、控制等需求，能有效地解決目前遠程監(jiān)控中存在的問題。
1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計
1.1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)架構
　　本文將公共無線CDMA通信網(wǎng)絡和IPv6無線傳感器網(wǎng)絡融合構建了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)由部署在監(jiān)測區(qū)域的不同類型傳感器節(jié)點構成，通過傳感器實時地從外界采集信息，及時處理并發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點，再經(jīng)由CDMA和Internet網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒掌?。管理員通過訪問服務器獲知遠程監(jiān)測區(qū)域內的環(huán)境狀況并自動采取相應設備的啟動、停止等措施，從而達到遠程監(jiān)控的目的。系統(tǒng)的具體架構見圖1。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)工作過程和數(shù)據(jù)流程圖
　　遠程監(jiān)控系統(tǒng)由硬件平臺和軟件平臺構成。硬件平臺由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點、CDMA網(wǎng)關節(jié)點和服務器設備構成。軟件平臺由無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點嵌入式IPv6軟件、網(wǎng)關嵌入式IPv6軟件和服務器端數(shù)據(jù)處理控制軟件構成。
　　監(jiān)控系統(tǒng)工作過程為：傳感器節(jié)點部署后，加電啟動，等待命令加入IPv6傳感器網(wǎng)絡；管理員通過服務器發(fā)送啟動命令到網(wǎng)關節(jié)點，啟動允許加入網(wǎng)絡參數(shù)；節(jié)點加入網(wǎng)絡，獲取短地址信息，配置本地鏈路地址，并且根據(jù)自身節(jié)點的類型開始工作；節(jié)點向網(wǎng)關節(jié)點申請全局單播地址網(wǎng)絡前綴，由網(wǎng)關節(jié)點分配節(jié)點全局單播IPv6地址，節(jié)點把配置參數(shù)傳輸?shù)椒掌鲾?shù)據(jù)庫中；管理員發(fā)送節(jié)點采集命令，同時設置采集周期，服務器封裝IPv6數(shù)據(jù)包，經(jīng)過匯聚點，發(fā)送給傳感器網(wǎng)絡節(jié)點；節(jié)點接收到采集命令后進行周期采集數(shù)據(jù)，建立路由，并且將數(shù)據(jù)信息以UDP/IPv6數(shù)據(jù)包形式傳送到服務器。
　　管理員配置環(huán)境參數(shù)的浮動范圍，如果采集的數(shù)據(jù)值超過該范圍，服務器終端示警，則根據(jù)數(shù)據(jù)的相應位置信息自動啟動設備裝置進行環(huán)境調節(jié)。
　　由于數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)由三個不同的網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)格式在每個網(wǎng)絡中各不相同，圖2所示為IP層數(shù)據(jù)傳輸?shù)牧鞒虉D。

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1.3 遠程監(jiān)控系統(tǒng)設備組成
1.3.1 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點結構
　　傳感器節(jié)點的硬件主要由傳感控制模塊、處理器模塊、無線射頻模塊和能量供應模塊四部分構成^[2]。傳感控制模塊主要由各種類型傳感器、控制設備接口和外圍電路構成，傳感器負責采集外界環(huán)境的信息，設備通過標準接口與節(jié)點連接。處理器模塊主要負責節(jié)點的設備控制、任務調度、功能協(xié)調、工作狀態(tài)控制、收發(fā)數(shù)據(jù)處理等。無線射頻模塊主要負責調制傳輸信號、頻率、帶寬、數(shù)據(jù)速率、收發(fā)功率等。
　　傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點軟件實現(xiàn)控制節(jié)點的工作狀態(tài)、周期、傳輸路徑及優(yōu)化路由、處理數(shù)據(jù)、控制射頻端發(fā)射等功能。節(jié)點采用精簡的微型TCP/IPv6協(xié)議棧和適用于IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)路由協(xié)議。節(jié)點軟件體系結構如圖3所示。
　　網(wǎng)絡接口模塊(包括802.15.4 PHY層和MAC層)為網(wǎng)絡協(xié)議提供了統(tǒng)一的發(fā)送接收接口，屏蔽各種物理介質，同時負責把來自下層的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)胶线m的適配層協(xié)議；中間適配層模塊提供了對基于IEEE802.15.4標準IPv6數(shù)據(jù)包到網(wǎng)絡層的傳輸平臺^[3]，對超過IEEE802.15.4幀結構長度的IPv6數(shù)據(jù)包分片、壓縮，同時對接收到的IPv6數(shù)據(jù)分片報文進行重組和恢復;TCP/IPv6協(xié)議棧和動態(tài)路由協(xié)議模塊是整個節(jié)點軟件的關鍵部分，采用精簡的TCP/IPv6協(xié)議棧和適合IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的動態(tài)路由協(xié)議^[4];應用層模塊擴展了IPv6無線傳感器網(wǎng)絡的功能，包括簡單網(wǎng)絡管理、數(shù)據(jù)采集控制、節(jié)能等應用層協(xié)議。
1.3.2 IPv6無線傳感器網(wǎng)絡和CDMA網(wǎng)絡網(wǎng)關結構
　　監(jiān)控系統(tǒng)中網(wǎng)關節(jié)點實現(xiàn)了數(shù)據(jù)匯聚轉發(fā)的功能，CDMA DTU(CDMA Date Transmit Unit, CDMA數(shù)據(jù)傳輸裝置)和普通節(jié)點通過串口連接實現(xiàn)網(wǎng)關功能。
　　CDMA DTU在公共無線CDMA網(wǎng)絡的身份通過UIM(User Identification Module)卡識別。DTU連接到CDMA網(wǎng)絡后自動獲取IP地址，配置CDMA DTU的工作模式(透明傳輸模式)和相應的串口速率等。傳輸數(shù)據(jù)不需要做任何處理，直接封裝成CDMA數(shù)據(jù)格式經(jīng)由CDMA網(wǎng)絡和Internet傳輸，實現(xiàn)服務器與監(jiān)測區(qū)域內傳感器網(wǎng)絡的雙向鏈接。其特點如下：
　　(1)提供透明傳輸機制，減少數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和正確性；
　　(2)采用CDMA網(wǎng)絡，不受時間和地域條件的限制，能在全國范圍內實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)通信；
　　(3)適用于間斷的、突發(fā)的、頻繁的和少量的數(shù)據(jù)傳輸，符合傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸特點。
1.3.3 服務器端結構
　　服務器用于接收存儲節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，可遠端接收數(shù)據(jù)，只需連接Internet網(wǎng)絡即可。管理員或用戶可以通過Internet遠程訪問服務器，通過Web頁面操作可遠程控制監(jiān)測區(qū)域內節(jié)點和設備的工作。
　　由于DTU把無線傳感器網(wǎng)絡的IPv6數(shù)據(jù)包封裝到CDMA格式數(shù)據(jù)的應用層，通過CDMA和Internet網(wǎng)絡傳輸，所以在服務器必須采用數(shù)據(jù)處理控制軟件，解析出應用層數(shù)據(jù)。圖4為服務器采用IPv6嵌入?yún)f(xié)議棧來實現(xiàn)解析數(shù)據(jù)的過程。

2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的精準農業(yè)應用實例
　　將遠程監(jiān)控系統(tǒng)部署于三個溫室內，每個溫室放置一定數(shù)量的不同類型的傳感器節(jié)點。監(jiān)控系統(tǒng)必須實現(xiàn)以下主要功能：
　　(1)環(huán)境監(jiān)測功能：各個溫室內部署不同類型傳感器實現(xiàn)對溫室內環(huán)境的監(jiān)測。當某個參數(shù)超過該設定值時，發(fā)出警報通知用戶。
　　(2)溫室內設備控制功能：如果某環(huán)境參數(shù)超過設定門限值(根據(jù)各種農作物要求的環(huán)境而定)，自動遠程控制溫室內通風、遮擋和灌溉等設備的啟動和關閉，滿足植物生長的環(huán)境。
　　由于用戶需要測試的位置點已經(jīng)固定，三個溫室(面積：75m×15m)內節(jié)點的位置部署相同，如圖5所示，包括2個土壤濕度、2個CO₂濃度、4個空氣溫度、4個空氣濕度、3個室內光強、1個室外光強傳感器節(jié)點。根據(jù)實際要求在室外需放置光強節(jié)點，用以比較室內外的光強，從而控制放下或提起遮擋簾。
　　溫室內傳感器節(jié)點的部署位置、類型和數(shù)量不是固定的，可以根據(jù)實際需要改變傳感器節(jié)點的位置、類型及數(shù)量。在本應用系統(tǒng)中，采用表1所示型號的溫度、濕度、光強、土壤濕度、CO₂濃度等模擬數(shù)據(jù)輸出傳感器。

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　　傳感器節(jié)點周期性(本系統(tǒng)采集周期為1分鐘)地采集周圍的環(huán)境參數(shù)。如果某個時間用戶關心某個位置點的環(huán)境參數(shù)，則可以遠程登陸服務器查看和控制該節(jié)點工作。
　　圖6為中午12時溫室1內溫度節(jié)點WD14采集的溫度曲線圖。
　　圖7為下午16時監(jiān)測溫室2的光強節(jié)點GQ22采集的光強曲線圖。
　　從實際應用系統(tǒng)的結果來看，CDMA網(wǎng)絡與IPv6無線傳感器網(wǎng)絡融合的遠程監(jiān)控系統(tǒng)滿足了精細農業(yè)監(jiān)控的各項要求。
3 性能分析
　　在本遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，若監(jiān)控區(qū)域的某個節(jié)點向服務器發(fā)送一條采集信息，則該過程所產生的時延" title="時延">時延如圖8所示。