基于Zig Bee和3G技術(shù)的WSNs環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

袁 騰，李秋紅，楊國斌，程 磊

（湖南大學(xué)微納光電器件及應(yīng)用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙 410082）

0 引言

現(xiàn)今比較流行的監(jiān)控系統(tǒng)，一般是通過2種方式接入Internet網(wǎng)，一是比較傳統(tǒng)的以有線以太網(wǎng)的方式，因?yàn)槭遣扇∮芯€的方式接入，所以，整個系統(tǒng)缺乏靈活性，二是通過無線通信（GSM/GPRS）的方式接入Internet網(wǎng)，此種方式通信質(zhì)量不高，并且通信速率也有著很大的限制。

3G是英文3rd Generation的縮寫，指第三代移動通信技術(shù)。它是在第二代移動通信技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)一步演進(jìn)的以寬帶CDMA技術(shù)為主，并能同時提供語音數(shù)據(jù)綜合服務(wù)和移動多媒體服務(wù)的移動通信系統(tǒng)。與以往的移動語音技術(shù)相比，3G技術(shù)極大地增加了系統(tǒng)容度。提高了端到端通信質(zhì)量和更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。本設(shè)計將3G技術(shù)與Zig Bee技術(shù)相結(jié)合，采用C/S的架構(gòu)，以ARM11做為服務(wù)器，將智能手機(jī)或者PC機(jī)做為客戶端，讓整個系統(tǒng)有著更高的通信質(zhì)量，大大的提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率，增加了系統(tǒng)的靈活性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的實(shí)時性，降低了系統(tǒng)的成本［1～4］。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

圖1所示為基于Zig Bee和3G技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSNs）環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由WSNs，服務(wù)器和客戶端構(gòu)成。WSNs由無線傳感技術(shù)—Zig Bee技術(shù)組建而成，各種類型的傳感器掛接在傳感網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點(diǎn)中。傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)由Zig Bee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至基站，再經(jīng)由RS—232傳送到ARM服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并存入數(shù)據(jù)庫中，互聯(lián)網(wǎng)中的PC機(jī)和智能手機(jī)等聯(lián)網(wǎng)終端都可以做為客戶端，對采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問。同樣，由客戶端發(fā)出的控制信息，經(jīng)過3G網(wǎng)絡(luò)和Zig Bee網(wǎng)絡(luò)控制傳感器中各個節(jié)點(diǎn)的工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 WSNs組網(wǎng)方式與傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of system network topology

本設(shè)計選用了美國TI公司的CC2530芯片。Zig Bee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為3種:星型、樹型和網(wǎng)狀型。星型結(jié)構(gòu)組建簡單，這種簡單帶來的好處是較低的設(shè)備成本，較少的上層路由信息，管理便捷。因此，本設(shè)計采用了星型結(jié)構(gòu)組建 Zig Bee網(wǎng)絡(luò)［4］。

傳感器選用了AM2303數(shù)字溫濕度傳感器，AM2303數(shù)字溫濕度傳感器是一種含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括1只電容式濕敏元件和DS18B20熱敏元件，并與一個高性能8位單片機(jī)相連接。

2．2 ARM服務(wù)器的硬件設(shè)計

本設(shè)計采用三星公司的S3C6410做為服務(wù)器的微處理器。S3C6410是目前三星公司主推的基于ARM11架構(gòu)的一種功能強(qiáng)大的處理器。該處理器采用ARM1176JZF—S的核，包含16kB的指令數(shù)據(jù)Cache和16kB的指令數(shù)據(jù)TCM，ARM Core電壓為1．1 V的時候，可以運(yùn)行到553 MHz，在1．2 V的情況下，可以運(yùn)行到 667 MHz。通過 AXI，AHB 和APB組成的64/32 bit內(nèi)部總線和外部模塊相連。ARM服務(wù)器通過3G無線上網(wǎng)卡接入Internet網(wǎng)絡(luò)。3G無線上網(wǎng)卡選用了華為EC122卡。ARM服務(wù)器使用了256 M的SDRAM和2G的NANDFLASH［1］。圖2為 ARM 服務(wù)器的硬件框圖。

圖2 服務(wù)器硬件框圖Fig 2 Hardware frame diagram of the server

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3．1 WSNs節(jié)點(diǎn)中的軟件設(shè)計

WSNs節(jié)點(diǎn)做為整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)最重要的一部分主要完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、部分處理，以及發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行各項(xiàng)初始化工作，然后判斷是否有來自于服務(wù)器的配置命令，假若有來自于服務(wù)器的控制配置命令，則將配置該命令解析，并且按照該配置命令的工作方式控制節(jié)點(diǎn)中的各個模塊采集數(shù)據(jù)，最終將采集到的數(shù)據(jù)通過Zig Bee無線通信模塊發(fā)送出去。假若沒有來自于服務(wù)器的控制命令，節(jié)點(diǎn)則按照默認(rèn)的配置方式或者上一次的配置方式進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。

3．2 ARM服務(wù)器中的軟件設(shè)計

ARM服務(wù)器中的軟件采用QT進(jìn)行設(shè)計。ARM服務(wù)器做為整個系統(tǒng)的樞紐和數(shù)據(jù)交換中心，需要完成與傳感器網(wǎng)絡(luò)以及和客戶端的通信。服務(wù)器中的程序主要完成兩項(xiàng)工作。一是將從傳感器網(wǎng)絡(luò)中采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并且寫入數(shù)據(jù)庫中，程序流程圖如圖3。程序創(chuàng)建了一個名為sensor的數(shù)據(jù)庫，每天監(jiān)測到的傳感器數(shù)據(jù)都存儲在以當(dāng)天日期為名的表中，程序運(yùn)行后，每天都將創(chuàng)建一張新的表。二是處理來自于客戶端的命令?？蛻舳藢l(fā)送配置命令，或者數(shù)據(jù)查詢命令給服務(wù)器，服務(wù)器將解析并且處理這些命令［5］。

圖3 服務(wù)器程序流程圖Fig 3 Flow chart of the server program

3．3 客戶端中的軟件設(shè)計

客戶端做為整個系統(tǒng)的監(jiān)測和控制終端，主要完成控制命令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的監(jiān)測顯示。本設(shè)計設(shè)計了分別針對PC機(jī)和智能手機(jī)上的客戶端，以便監(jiān)控人員可以采取多種方式來對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，程序流程圖如圖4。監(jiān)控人員可以在客戶端中通過多種方式查看服務(wù)器中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，比如:實(shí)時查詢、歷史查詢等，同時也可以通過發(fā)送配置命令來控制傳感器的工作方式。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

測試實(shí)驗(yàn)選用8個傳感器節(jié)點(diǎn)和一個基站，每個節(jié)點(diǎn)掛接了1只溫濕度傳感器，基站通過RS—232和ARM服務(wù)器相連接，監(jiān)控人員通過智能手機(jī)客戶端或者PC機(jī)中的客戶端對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，并可以通過表格或者圖形的方式來觀察所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)置為每一秒鐘采集一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1。

圖4 客戶端程序流程圖Fig 4 Flow chart of the client program

表1 監(jiān)測數(shù)據(jù)Tab 1 Monitoring data

5 結(jié)束語

本文采用ARM11做為服務(wù)器，將Zig Bee技術(shù)和3G技術(shù)相結(jié)合，采用C/S的構(gòu)架，使用現(xiàn)在正流行的智能手機(jī)和PC機(jī)作為客戶端，設(shè)計出了一種新型的基于Zig Bee和3G技術(shù)的WSNs監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)組網(wǎng)方式簡便，安全，可靠，功耗低，成本小，容易擴(kuò)充，實(shí)時性強(qiáng)，能夠較好地解決WSNs大量信息的采集和實(shí)時的監(jiān)控問題。

［1］ 李紅剛，張素萍．基于ARM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009（5）:134－138．

［2］ 鮮曉東，常 超，胡 穎，等．基于WSNs和GSM的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（6）:141－144．

［3］ 王 銘，倪 平．基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2011（1）:115－119．

［4］ 謝 飛，劉新生．基于Zig Bee和GPRS網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)研究與開發(fā)［J］．中國水運(yùn)，2006（10）:103－105．

［5］ 房 芳，馬旭東．基于嵌入式Web技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］．計算機(jī)工程，2009（12）:237－239．