《電子技術(shù)應(yīng)用》
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多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第7期
朱向慶, 陳志雄
嘉應(yīng)學(xué)院 電子信息工程學(xué)院, 廣東 梅州 514015
摘要: 提出一種融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠(yuǎn)程分布式環(huán)境狀況實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案。由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)組建的Ad hoc無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)監(jiān)測環(huán)境溫濕度、光照度、煤氣及CO濃度等;采用GPRS/GSM模塊和嵌入式Modem構(gòu)造無線網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與GPRS/GSM和PSTN的無縫連接,將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)或遠(yuǎn)端計算機(jī)。系統(tǒng)具有小、遠(yuǎn)和散的特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布、中央管理、多層報警和遠(yuǎn)程監(jiān)測。
中圖分類號: TP274+.5
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2010)07-0090-04
Design of remote real-time environmental condition monitoring system based on multi-network convergence
ZHU Xiang Qing, CHEN Zhi Xiong
School of Electronic and Information Engineering, Jiaying University, Meizhou 514015, China
Abstract: A kind of remote real-time environmental condition monitoring system merging Ad hoc network, GPRS/GSM and PSTN was proposed. Ad hoc wireless sensor network(WSN) is built by IEEE 802.15.4 to detect environmetal temperature、humidity、illuminance、gas and carbon monoxide concentration etc. Wireless gateway is constructed with GPRS/GSM module and embedded Modem, it realizes seamless connection of Ah hoc network、GPRS/GSM and PSTN, transmits data collected by WSN to mobile and remote computer. This system has the characteristics of small、remote and dispersed, it can realize multipoint distribution、central management, multiple alarm and remote monitoring.
Key words : wireless sensor network; remote monitoring; Ad hoc; GPRS/GSM; PSTN

   環(huán)境狀況在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國民生活等領(lǐng)域的重要作用日益顯著,如何對其進(jìn)行有效監(jiān)測是一項有意義的課題。利用有線網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境狀況近距離監(jiān)測是傳統(tǒng)的手段,它存在布線復(fù)雜、困難,通信距離受限等缺點(diǎn)。隨著無線通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,檢測技術(shù)自動化與通信技術(shù)的結(jié)合使遠(yuǎn)程分布式實(shí)時監(jiān)測成為可能。
 融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠(yuǎn)程分布式環(huán)境狀況監(jiān)測系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各個網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn),將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程終端,基本不存在費(fèi)用和距離的限制。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
 多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)組成原理如圖1所示,它主要由三部分組成:Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程終端。Ad hoc WSN是一個分布式監(jiān)測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)采集;網(wǎng)關(guān)完成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與GPRS/GSM和PSTN的無縫連接,將WSN的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端;遠(yuǎn)程終端由手機(jī)和普通計算機(jī)組成,用于監(jiān)測現(xiàn)場狀況。

 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳臨時性自治系統(tǒng),具有無中心、自組織、多跳路由和動態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn),適合組建大規(guī)模分布式WSN。無線傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時,MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時,網(wǎng)絡(luò)層使用AODVjr路由算法,AODVjr算法是針對AODV算法的改進(jìn),考慮到IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在節(jié)能、成本、應(yīng)用方便性等因素,簡化AODV的一些特點(diǎn),但是仍然保持AODV的原始功能[1]。采用AODVjr算法的好處,就是無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每次與網(wǎng)關(guān)通信時,總能找到一條最佳路徑;當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中個別節(jié)點(diǎn)處于睡眠或停止工作時,仍不影響其他節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的通信。
 通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù),特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。公共交換電話網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Network)是基于標(biāo)準(zhǔn)電話線路的電路交換服務(wù),用來作為連接遠(yuǎn)程端點(diǎn)的方法,其特點(diǎn)是分布廣泛,通信費(fèi)用低廉。
2 硬件設(shè)計
 設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括采集環(huán)境狀況的無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和進(jìn)行多網(wǎng)融合的網(wǎng)關(guān)兩大部分。
2.1無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)
 無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用“MCU+RF+Sensor”的模式,如圖2所示。單片機(jī)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2,它有兩個串口,片內(nèi)集成60 KB的Flash存儲器,1 280 B的數(shù)據(jù)存儲器,1 KB的EEPROM,8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器[2]。無線模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2034,該模塊符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn),工作頻率是2.4  GHz,屬免許可證的ISM頻段。STC12C5A60S2與IP-Link1221-2034之間通過串口進(jìn)行通信,前者的串口屬5 V TTL電平,后者的串口是3.3 V TTL電平,兩者連接時要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

 傳感器主要用煙霧傳感器MQ-2、煤氣傳感器MQ-5、CO傳感器MQ-9、Hamamatsu公司的光敏電阻P1201-04,以及奧松公司的單總線數(shù)字溫濕度傳感器DHT11、Dallas公司的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。光照度、煙霧、煤氣和CO傳感器輸出的模擬信號經(jīng)信號調(diào)理電路后,直接送至STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
 發(fā)光二極管主要用于指示無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài);1602液晶用于顯示監(jiān)測結(jié)果,當(dāng)系統(tǒng)正常工作時,可以關(guān)閉液晶以節(jié)約電能;獨(dú)立按鍵主要用于設(shè)置環(huán)境狀況的報警上下限;當(dāng)環(huán)境狀況超過報警門限時,蜂鳴器將發(fā)聲報警。
2.2 網(wǎng)關(guān)
 網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖3所示,它主要實(shí)現(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和GPRS/GSM及PSTN的連接,將WSN采集到的數(shù)據(jù)定時報告給遠(yuǎn)端控制中心或手機(jī)。如果現(xiàn)場環(huán)境指標(biāo)超標(biāo),也可以立刻上報。同時,遠(yuǎn)端控制中心或手機(jī)可以主動查詢WSN的狀況。

   網(wǎng)關(guān)主要由兩個STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制器,它們通過互為主從方式的SPI總線連接。STC12C5A60S2_1連接Ad hoc無線模塊,通過SPI總線將WSN采集的環(huán)境狀況數(shù)據(jù)傳輸給STC12C5A60S2_2,后者通過串口連接GPRS/GSM模塊及嵌入式Modem(Embedded Modem,eModem),以接入GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)、Internet和PSTN。
2.2.1 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)接口
 STC12C5A60S2_2通過GPRS模塊連接GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)和Internet。GPRS模塊主要采用明基公司的M23G設(shè)計,其內(nèi)部集成PPP和TCP/IP協(xié)議棧;支持網(wǎng)絡(luò)類型GPRS Class 8,GPRS Class B;共支持三個頻段:EGSM 900MHz、DCS1800MHz和PCS1900 MHz,具有短消息服務(wù)、語音通話、數(shù)據(jù)傳真等功能[3]。設(shè)計的GPRS模塊工作穩(wěn)定可靠,性價比高。
 M23G的工作電壓是3.3~4.5 V,設(shè)計電源的時候取3.8 V的電壓,模塊在工作中最大的瞬間電流能夠達(dá)到2 A,考慮到大電流的需要,采用開關(guān)型可調(diào)高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941構(gòu)造GPRS電源。
 STC12C5A60S2_2與M23G模塊采用串行方式通信,波特率為9 600 b/s。M23G的DSR引腳與單片機(jī)的P2.4口相連,DSR為高表示模塊處在數(shù)據(jù)模式,為低表示處在命令模式。M23G的DTR引腳與單片機(jī)的P1.1口相連,可通過控制此引腳電平的高低時間來進(jìn)行M23G的數(shù)據(jù)態(tài)和命令態(tài)的切換。
2.2.2 PSTN網(wǎng)絡(luò)接口
   STC12C5A60S2_2經(jīng)由eModem撥號,通過PSTN網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)端計算機(jī)。天石科技公司的串行總線eModem是5V TTL電平,可直接與單片機(jī)進(jìn)行串行通信。該eModem具有14.4 kb/s~56 kb/s的傳輸速率, 支持V.32bis、V.34和V.90標(biāo)準(zhǔn), 支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令集撥號/自動應(yīng)答功能, 具有普通Modem 的大部分技術(shù)參數(shù)及功能, 可方便地嵌入到微控制器設(shè)計中[4]。因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大,eModem的流控功能可以不使用。STC12C5A60S2_2可通過P1.4引腳控制eModem進(jìn)行復(fù)位。
3 軟件設(shè)計
 無線監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)中使用的單片機(jī)均為STC12C5A60S2,其固件用C51語言編寫,在Keil uVision3中編譯生成。監(jiān)控中心的軟件用LabVIEW設(shè)計,服務(wù)器網(wǎng)頁用ASP語言編寫。
3.1 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)
 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點(diǎn)除了要采集傳感器數(shù)據(jù),進(jìn)行人機(jī)交互外,還要查找路由,替其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。維護(hù)網(wǎng)絡(luò)是一項很復(fù)雜的工作,采用傳統(tǒng)的單一線程結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。因此,從程序開發(fā)、維護(hù)方便的角度出發(fā),將嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)Small RTOS51移植于無線節(jié)點(diǎn)中的STC12C5A60S2單片機(jī)。
 Small RTOS51具有公開源代碼、可移植、可固化、占先式、中斷管理和RAM需求小的特點(diǎn)[5]。如圖4所示,讓Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的AODVjr協(xié)議棧及其上層運(yùn)行于Small RTOS51之上。網(wǎng)絡(luò)層采用AODVjr路由算法,它可能要同時處理查找路由、維護(hù)路由、收發(fā)數(shù)據(jù)等工作, Small RTOS51能夠即時處理上述幾種任務(wù),同時給應(yīng)用層程序提供多任務(wù)接口。

3.2 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)
 單片機(jī)主要通過AT命令控制GPRS模塊,以實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接、PDP激活、以太網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸。GPRS模塊常用的AT如表1所示。

3.3 PSTN網(wǎng)絡(luò)
 網(wǎng)關(guān)連接的eModem工作在自動應(yīng)答的主叫模式下,單片機(jī)主要通過表2的AT命令對eModem進(jìn)行設(shè)定和通信控制。通信主要有三個步驟:(1)初始化:設(shè)定結(jié)果碼格式,回顯命令及應(yīng)答方式;(2)呼叫或應(yīng)答:進(jìn)入實(shí)際的數(shù)據(jù)/命令通信過程;(3)斷開連接:掛機(jī)。

3.4 計算機(jī)端軟件
 服務(wù)器采用微軟的IIS(Internet Information Service)技術(shù),利用ASP語言編寫動態(tài)網(wǎng)頁代碼,網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的數(shù)據(jù)由服務(wù)器接收后,保存在后臺ACCESS數(shù)據(jù)庫中,操作者可登錄服務(wù)器查詢遠(yuǎn)程WSN的狀況。
 遠(yuǎn)端監(jiān)控中心通過普通Modem連接PSTN網(wǎng)絡(luò),其計算機(jī)監(jiān)測軟件采用美國國家儀器NI(National Instruments)公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW實(shí)現(xiàn)。它可以為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式,能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能,并且用線條將各種功能連接起來,十分省時簡便。
 利用LabVIEW也可以很方便地作圖,把Modem接收到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示,圖5是用LabVIEW設(shè)計的軟件界面。

    融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠(yuǎn)程分布式系統(tǒng)可以充分發(fā)揮各種有線與無線、短距離與長距離網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ),對環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。系統(tǒng)硬件成本低廉,對供電和通信網(wǎng)絡(luò)的需求少,通信費(fèi)用低,適用性廣,人機(jī)交互界面友好,管理操作簡單。適當(dāng)改換傳感器,系統(tǒng)即可在工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、環(huán)境檢測、安防、智能家電、醫(yī)學(xué)等實(shí)際應(yīng)用中廣泛推廣,產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
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