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蓝牙4.0传感器网络中的拓扑，协议和数据库
Nikita A. Andriyanov和Vitalii E. Dement#39;ev
摘要 - 在本文中，我们已经研究了多种支持蓝牙技术的设备的网络拓扑结构。 结果表明，有必要使用数据传输网关访问全球网络。 为了提供数据交换，开发了允许对模块进行查询并从中接收答案的协议。 我们考虑与计数器和数据处理任务交互的问题的解决方案。 此外，在本文中，我们提出了将模块连接到各种设备的技术图。 已经开发了特殊软件来存储从模块收到的数据。 该软件适用于智能手机并使用本地设备数据库。 来自所有设备的信息位于具有特殊结构的MySQL数据库中。 特别注意星形的拓扑结构，以及连接接口使用RS-232，RS-485的脉冲输出。 重点是这些拓扑和接口为正在开发和探索的模块提供可靠的操作。
索引条款 - Bluegiga，蓝牙4.0 BLE，数据收集，传感器网络，智能住宅，无线技术
一，导言
当前与从各种传感器收集远程数据相关联的任务是非常相关的，例如，当我们需要从温度传感器获取数据并用这些信息创建用于确保和保持舒适环境的自动化系统时将出现这样的任务。此外，该正确处理的电磁场特性或气体污染将不仅监测这些指标，而且还将允许及时提醒人们正在出现的异常情况。
除了这些应用于远程数据采集的领域之外，国内能源资源的监测和核算任务也占有重要地位。 事实上，近年来，电表，水表等自动数据采集过程正在发生变化[1-4]。 尽管有很多提供远程数据收集实施的技术，但所有这些技术都有一些缺点。 特别是，由于布线的不完善，使用PLC解决方案可能很困难，而“无线”解决方案Wi-Fi和GSM[5]需要不断的电连接，并且流量成本也很高。
2017年11月18日提交的文件。
NA Andriyanov与Ulyanovsk国立技术大学Severny Venets，32岁，Ulyanovsk，俄罗斯432027（电子邮件：nik.andrianov@ulstu.ru）。
- E. Dement#39;ev与俄罗斯Ulyanovsk Ulyanovsk State Technical University，Severny Venets，32，Ulyanovsk，俄罗斯432027（电子邮件：vitavved@yandex.ru）。
基于ZigBee技术的传感器网络的使用解决了这个问题，极大地改善了远程数据采集过程[1,6]，但在实践中，这些设备的电池寿命是不够的。 无线解决方案的使用需要搜索功耗相对较低的技术。 蓝牙4.0蓝牙低功耗技术[4,7,8]和ANT [2]可被视为低能量技术。 他们已经在其他应用程序中证明了其良好的工作。
基于蓝牙标准的技术的使用看起来更有希望。 这是由于以下原因：
- 使用标准电池的电池寿命长达3至6年。 这是可能的，因为仅在一小部分时间内在负载下使用设备。 模块的其余时间处于睡眠模式。
- 最后一英里问题的解决方案解决了从公寓业主那里读取仪表指示器的问题。 无线蓝牙4.0不需要直接穿透公寓，因为它们的范围可以在公寓区域以外的距离读取数据。
- 它提供了与全球网络的快速集成。 事实上，数据存储和处理过程中的网关是运行Android或iOS的移动设备。 允许所有者使用智能手机读取数据的应用程序也必须能够自由地将数据传输到互联网，例如在消费者的私人办公室中。
- 当您设计数据采集模块时，它可以基于Bluegiga BLE模块112 [9]。 在这个模块中，可以配置和重新配置很多参数。 此外，标准耦合接口没有问题：RS-232，RS-485，脉冲输出。
因此，蓝牙技术在控制和能量计量（AMR）自动化系统中的使用是一个有前途的方向[3]。
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- 网络拓扑结构与信息交换协议在网络中的发展研究蓝牙4.0网络
如上所述，迄今为止，有许多无线数据网络技术，其中最知名的是Wi-Fi 802.11，蓝牙，ZigBee，Z-Wave，无线HART / DUST，ISA 100a，不同版本的协议802.15.4以及专有协议ISM频段的一些版本。 但是，由于复杂性和高能量
978-1-5386-3498-1/18/$31.00 copy;2018 IEEE
消耗，许多协议都不适合某些网络应用的开发和监控参数的自动化。
因此，技术被降低到蓝牙低功耗和ANT的范围。
图1显示了实现无线网络的当前方法。 因此，每个圆圈表示一个无线单元，它只能用于接收，仅用于发送或在两个方向上操作。 网络中的驱动节点通常称为从节点，主节点称为主节点[10]。
图1无线网络最常见的拓扑结构：a - “点对点”; b - “星”; c - “聚类树”; 和d - “每个人都有”或“网状”。
分析表明，在已知的拓扑结构中，蓝牙无线网络组织可用于“点对点”（图1中的a）和“星型”（图2中的b）的方案。 在开发模块时必须考虑到这一事实。 因此，公寓中的数据读取已经由开发的控制系统进行测试。 应该指出的是，我们的系统是无线系统，并且基于蓝牙4.0技术的模块赋予其中的节点角色。
然而，存在BLE蓝牙标准和早期版本不兼容的问题，由此BLE设备和蓝牙经典之间的交互作用
设备很复杂。 因此，为了提供集成，有必要使用双模设备。 connectBlue公司特别提出了许多解决方案：传统蓝牙模块，支持标准蓝牙和BLE的蓝牙智能就绪模块，以及仅支持使用BLE协议的蓝牙模块[11]。
在这项研究中，它使用了以下硬件：基于SS430F5137微控制器开发的无线电通信设备，包含MSP430F5137微控制器和接收和发射模块SS1101。 在开发系统中，无线电模块将在固件控制下的无需许可证的433 MHz频段内工作。
在这种情况下，只涉及三种类型的无线电模块。 它们是M1模块，用于脉冲输出的水表; 用于RS485电计数器的M2模块; M3模块，用作为无线网络设备提供Internet访问的网关。
区别仅在于设备的固件，所有接线图都是一样的。 图2显示了这个图。
图2.通用模块的方案
应该注意的是，开发的蓝牙设备交互协议仅使用所需数量的组，并且传输由最小尺寸的分组提供。 这是由于无线电网络中的模块数量足够大所致。 此外，需要通过网络向预定设备重传分组。 如果您选择600位/秒的最小数据传输速率，则可提供最大范围。 因此，64字节大小的包的典型传输需要850毫秒。 我们计算需要将数据包重新传输到预定节点的网络所需的时间，并将n处理回M3模块：T = 2n * 0.85 [秒]。 要计算调查周期，您应该考虑到单个模块M1将服务一个水表，而一个模块M2将服务于1至4个电表。 因此，当系统使用230个模块M1和70个模块M3时，调查周期将如下：T
= 230 * n * 0.85 70 * 2n * 4 * 0.85 = 671,5 * n [秒]。 另外，使用中继机制的无线网络的显着特征是存在冲突。 为了避免这个问题，我们将使用包的随机延迟原理。 在这种情况下，变化是从0到7秒。 所以我们终于
得到调查期的值如下：T = 671.5 * n * 4 = 2686 * n，其中4 - 是平均延迟时间。
在结构上，所有模块都在电路板上标准化。
图3显示了电路板。
图3.电路板的总体视图
因此，进行无线网络拓扑分析。 开发了通过数据网关和互联网访问数据的技术。 此外，还制定了一个与柜台交流信息的协议。 它以“需求 - 答案”的模式运作。
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- 发展系统的测试
让我们考虑在接近真实条件下开发模块的工作。
图4显示了一个带有热量表，电表，有线和无线数据交换设备，温度测量传感器，烟雾传感器，开门传感器等的测试项目展台。
图4.测试台的方案台架逻辑上由以下三部分组成：
- 信息系统“住房部门能源消耗的区域核算，管理和优化”的服务器;
- 支架的测量部分包括已建立的资源效用消耗测量仪器，与其相连的热量表，测试信号模拟器，开/关传感器，CO2传感器和动力设备;
- 信号实际上位于的运输设备
一个测量台，用于传输来自支架测量装置的信号。 服务器传输设备用于接收信号并将其传输到安装了程序的服务器。 作为这项工作的一部分，我们使用以太网和移动数据传输
通信（GSM）。 未来数据的无线传输计划通过蓝牙设备进行。
从物理上看，展台由两部分组成：
- 带有程序“Sadko-Teplo”的服务器ASKURDE Enterprise“IT ESCO研究院”，“仪表”和通过TCP / IP以及GSM和GPRS协议提供信号接收的通信设备。
- 测试台包括测量和传输设备，通过测量不同类型能量消耗的设备（如热计算器和电表），以及温度传感器，烟雾传感器，开口，通过以太网，GSM提供测试测量和数据传输/关门，窗户传感器等。
图5.测量台
图5显示了一个测量支架，包括：
-
电源：
- 介绍配电盘;
- 插座条（220 V）。
- 测量单位组成：
- 用于流量计，压力和温度传感器的热量计算器的测试信号模拟器;
- 接口连接到模拟器热计算器VKT-5，TV7，SPT 943，VKT-7，Vzlet;
- 电力计数器Energomera SE102，Mercury-200;
- 温度，烟雾，火灾，开/关门传感器。
- 运输单位包括：
- 数据网关：连接热量计算器，电表，传感器并提供TCP / IP协议数据传输的Moha Type; Bars-02连接热量计算器，电表，传感器并提供GSM 900/1800协议（GPRS）数据传输的类型; ACCV-030型，提供热量计算器，电表，传感器和数据传输的GSM 900/1800（GPRS）协议的连接;
- 任何制造商网络集线器，能够接收来自运行在TCP / IP协议上的多个媒体网关的信号，并通过以太网将其传输到服务器。
根据培训信息系统对其他计量设备的需求，支架可以更新或补充。
通常，开发数据处理算法，将设备与计数器连接的电路，使用适当软件的服务器上的信息存储设备成功完成。 这确保了控制命令从中央单元到账户单元的转接，反之亦然。 然后可以使用信息冗余减少技术来压缩累积的数据。
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- 移动电话和数据库的数据库结构服务器
如果仅仅因为后者的广泛传播，蓝牙允许与各种设备轻松集成。 同时，一项长期开发的研究项目将允许进入商业工具，也将解决房屋资源监测系统的“最后一英里”问题，并允许使用基于蓝牙4.0 BLE协议的专用设备。 在现代家庭中的每一个家庭都可以使用从终端设备接收数据的设备也很重要。 他们是智能手机和PDA。 这允许生成收集和处理测量数据的动态方案。 图6显示了这种方案的例子。
图6.系统结构
应该注意的是，使用可编程设备（例如运行Android或iOS系列的智能手机）可以让您组织在任意处理中心传输累积数据。 与已知系统相比，这种同步允许以最小的成本在各级住房系统提供必要的信息。
Bluegiga模块能够存储测量数据，并将它们与测量时间相关联。 当手机进入访问区并安装了数据分析和存储程序时，累计信息的传输将开始。 同时BLE设备中的接收过程是发送特殊特征查询的过程。 这是对具有特定MAC地址的特定设备的唯一十六进制标识符的请求。 因此，每个设备可以具有这些特征中的一些并传输多种类型的数据。
获得特征数据后，它将存储在一个
手机的本地数据库。 通常，它是SQLite数据库。 它的结构和组织提供了信息在表格中的存储，并且可以进一步处理，编辑，选择和发送。 数据排序的主要参数是设备的MAC地址和数据的类型。 图7显示了运行OS Android的软件系统shell界面。
图7.系统界面
得益于上述结构，从所有端点获得的数据“聚集”在单个存储库中，并可以一致高效地处理。 这种处理的一个例子是各种资源消耗图，加热效率计算，温度趋势等。图8显示了一些数据处理的例子。
图8.数据处理示例
所有接收到的数据都存储在MySQL管理下的单个数据库中。 MySQL的选择完全是由项目初始阶段的便利考虑引起的。 随后迁移到SQL Server或Oracle产品不会有任何困难。 图9显示了MySQL接口中的数据库表示。 应该注意的是，使用相对简单的关系结构允许执行优化数据库性能并能够与大量客户端连接一起工作的任务。 数据库的使用是以下数据分析的必要且便利的工具。
图9.数据库外观
显然，所描述的技术允许创建和管理多个自组织无线网络，其将测试和测量设备结合在独立的公寓和房屋中，并且使得有可能获得并统一处理关于实时模式的资源消耗的信息。
因此，现在可以创建一个紧凑且便宜的设备，连续采集任意传感器信息，例如温度传感器，计量热/冷水，电等。除了这些设备之外，这些设备还将信息传输到采集和发布设备。 结构化数据
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