無線傳感網(wǎng)與通用分組無線業(yè)務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮陳偉

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024

無線傳感網(wǎng)與通用分組無線業(yè)務(wù)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮陳偉

廈門理工學(xué)院光電與通信工程學(xué)院，福建 廈門 361024

隨著我國經(jīng)濟(jì)與社會的快速發(fā)展，家居環(huán)境與安全引起廣大人民群眾的廣泛關(guān)注.為了解決目前家居監(jiān)控系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)一種基于無線傳感網(wǎng)（WSN）和通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)采用TI公司的CC2530芯片及相應(yīng)傳感器構(gòu)建WSN家庭局域網(wǎng)，將采集到的光照強(qiáng)度、溫濕度、煙霧報警等信息，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，最后在上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控.通過上位機(jī)可以查看當(dāng)前環(huán)境狀態(tài)，并保存歷史數(shù)據(jù)，同時還可以進(jìn)行自動報警.給出系統(tǒng)硬件原理及軟件實(shí)現(xiàn)方法，包括節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)組建流程、數(shù)據(jù)傳輸功能、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)等.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、容易擴(kuò)展、上位機(jī)界面清晰友好.

無線傳感網(wǎng)；ZigBee技術(shù)；通用分組無線業(yè)務(wù)技術(shù)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；CC2530芯片

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)與社會的迅猛發(fā)展，環(huán)境與安全問題越來越被關(guān)注.傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)以有線傳輸方式為主，但隨著WSN和因特網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的人將智能家居監(jiān)控信息通過網(wǎng)絡(luò)傳送到家庭之外的遠(yuǎn)程終端監(jiān)控系統(tǒng)上［1］.因此，利用WSN和GPRS網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合上位機(jī)設(shè)計(jì)出了一套完整的智能家居無線監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)構(gòu)建了家庭WSN網(wǎng)絡(luò)，完成對家居環(huán)境各種檢測信號的收集，包括光照強(qiáng)度、溫濕度、煙霧報警等信息，并且通過GPRS DTU將現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程監(jiān)控端，以實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境與安全的實(shí)時監(jiān)控.實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果說明，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、能耗小、成本低、容易擴(kuò)展，有較好的實(shí)際應(yīng)用前景.

1 硬件設(shè)計(jì)

基于ZigBee技術(shù)組成的家居系統(tǒng)屬于一種家庭WSN網(wǎng)絡(luò)，包括協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)、GPRS DTU、上位機(jī)等［2］，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示.連接有傳感器的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)分布在需要監(jiān)測不同區(qū)域，用來收集環(huán)境信息.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過與終端節(jié)點(diǎn)建立的WSN網(wǎng)絡(luò)，收集來自各終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，通過RS232接口發(fā)送至GPRS DTU.之后，GPRS DTU將從協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)封裝成幀，經(jīng)GPRS與因特網(wǎng)傳輸至遠(yuǎn)程上位機(jī)，在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理與監(jiān)控.

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall system design

WSN網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)主要是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)［3］.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作主要是創(chuàng)建WSN網(wǎng)絡(luò)、收集終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)、通過GPRS DTU發(fā)送到因特網(wǎng).協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)具有同樣的硬件結(jié)構(gòu)，它們的功能是利用軟件來實(shí)現(xiàn)和區(qū)分的.

1.1 協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要工作是建立WSN網(wǎng)絡(luò)，接受其他節(jié)點(diǎn)的加入，并收集所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù).本設(shè)計(jì)中的節(jié)點(diǎn)均采用TI公司的CC2530模塊，它工作在2．4 GHz頻段，模塊集成有射頻、8051內(nèi)核、A/D變換、定時器等，因此以CC2530為核心的硬件電路只需少量外圍元器件配合就能實(shí)現(xiàn)收發(fā)功能［4］，CC2530典型應(yīng)用電路如圖2所示.此外，協(xié)調(diào)器通過RS232與GPRS DTU連接，利用AT指令進(jìn)行控制，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接入因特網(wǎng)，將WSN網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控信息以數(shù)據(jù)包方式傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控端.

圖2 CC2530應(yīng)用電路Fig.2 CC2530 applied circuit

1.2 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要由以下幾個模塊構(gòu)成的：傳感器、處理器、通信、電源.由于CC2530芯片集成了處理器和通信模塊從而簡化外圍電路，因此終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要就是傳感器模塊的設(shè)計(jì)［5］.本設(shè)計(jì)使用三種常見的傳感器，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)光照強(qiáng)度、溫濕度及煙霧信息的檢測.

1.2.1 光照檢測電路光照檢測電路的作用是判斷亮度，主要是通過檢測光敏電阻輸出信號的強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)的.按照圖3所示的電路圖連接硬件后，要對該電路進(jìn)行校準(zhǔn).光敏電阻的靈敏度可以通過調(diào)節(jié)電位器R1進(jìn)行改變，即設(shè)置一個亮度門限值，當(dāng)亮度較低時發(fā)出告警.

圖3 光敏傳感器電路Fig.3 Light sensors circuit

1.2.2 溫濕度檢測電路溫濕度檢測電路的作用是判斷環(huán)境的溫濕度情況，主要器件是DHT11數(shù)字溫濕度傳感器.它是一款有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度傳感器，單線串行接口，利用一個輸出接口就可以同時對溫濕度進(jìn)行測量.基于DHT11的溫濕度檢測電路如圖4所示，需要注意的是空腳在接線時須懸空.

圖4 溫濕度傳感器電路Fig.4 Temperature and humidity sensor circuit

1.2.3 煙霧檢測電路煙霧檢測電路利用MQ－2煙霧傳感器檢測易燃?xì)怏w以及煙霧等情況.根據(jù)實(shí)際環(huán)境，需要對該電路進(jìn)行校準(zhǔn).方法如下：將煙霧檢測電路置于純凈環(huán)境，預(yù)熱約兩分鐘后，調(diào)節(jié)電位器R4改變其靈敏度，使4～6腳電壓值在0.3～1V之間.經(jīng)實(shí)驗(yàn)測得校準(zhǔn)后R4約為2.5 kΩ.硬件電路如圖5所示.

圖5 煙霧傳感器電路Fig.5 Smoke sensor circuit

1.3 GPRS無線網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

由于WSN是短距離通信網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)用戶離開覆蓋網(wǎng)絡(luò)時就無法獲取數(shù)據(jù).因此，家庭網(wǎng)絡(luò)必須與外界網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接才能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而方便地獲取家居狀態(tài)信息.在本系統(tǒng)中選用LQ1000 GPRS DTU，通過RS232與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸.

LQ1000 GPRS DTU是一種實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)透傳到遠(yuǎn)程上位機(jī)軟件的設(shè)備，內(nèi)置了工業(yè)級GPRS無線模塊，提供RS232接口，可對波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位等信息進(jìn)行設(shè)置.內(nèi)部集成了TCP／IP協(xié)議棧，設(shè)置好數(shù)據(jù)中心的IP地址、端口號后，就可以將串口數(shù)據(jù)透明地進(jìn)行傳輸，即將串口的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP／IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸至因特網(wǎng)，進(jìn)而傳送到監(jiān)控器上［6］.

1.4 電源模塊

電源模塊主要為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)提供電源，它們需要2～3．6 V的直流電壓.因此，終端節(jié)點(diǎn)可以采用兩節(jié)AA電池供電，協(xié)調(diào)器工作頻率高，能量消耗大，因此協(xié)調(diào)器可采用鋰電池供電.

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件是基于TI公司的Z－Stack協(xié)議棧，在IAR開發(fā)環(huán)境下使用C語言進(jìn)行編譯和調(diào)試，從而實(shí)現(xiàn)對協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)的控制.

硬件模塊上電后程序進(jìn)行相應(yīng)的初始化，協(xié)調(diào)器選擇一個適當(dāng)?shù)男诺绖?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，其他終端節(jié)點(diǎn)通過主動掃描發(fā)現(xiàn)并加入已創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò).成功組網(wǎng)后，協(xié)調(diào)器就可以開始收集WSN網(wǎng)絡(luò)中所有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，接著利用AT指令完成GPRS DTU設(shè)置和連接網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)［7］.協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的控制流程如圖6所示.

圖6 協(xié)調(diào)器功能流程Fig.6 Coordinator function flowchart

2.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)初始化后，通過主動掃描發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò).得到協(xié)調(diào)器許可后，終端節(jié)點(diǎn)便啟動定時，同時進(jìn)入待機(jī)模式，這樣做主要考慮到家居環(huán)境變化緩慢，為了減少節(jié)點(diǎn)能量消耗，因此將節(jié)點(diǎn)設(shè)置為定時采集發(fā)送方式，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束后再次進(jìn)入待機(jī)模式［8］.終端節(jié)點(diǎn)控制流程如圖7所示.

圖7 終端節(jié)點(diǎn)功能流程Fig.7 Terminal function flowchart

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)數(shù)據(jù)接收程序采用基于Socket技術(shù)的VB 6．0進(jìn)行編寫，通過監(jiān)聽服務(wù)器端口接受連接請求，將接收數(shù)據(jù)幀解析后進(jìn)行處理.上位機(jī)顯示信息包括光照強(qiáng)度、溫濕度、煙霧報警等.通過上位機(jī)中的節(jié)點(diǎn)空間分布圖，可以清楚了解各節(jié)點(diǎn)的位置及當(dāng)前環(huán)境信息.節(jié)點(diǎn)圖標(biāo)形象地標(biāo)記了節(jié)點(diǎn)的名稱及位置，當(dāng)出現(xiàn)報警信息時，主界面以及空間分布圖界面會彈出警報圖標(biāo)，從而提示用戶［9］.同時軟件還具有存儲功能，可以通過查看歷史數(shù)據(jù)觀測家居環(huán)境變化.上位機(jī)軟件界面如圖8所示，此時顯示出家居環(huán)境的各種狀態(tài)信息，并告警存在安全隱患．根據(jù)以上要求，上位機(jī)軟件功能具體如下．

2.3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)測各傳感器的數(shù)據(jù)（光照強(qiáng)度、溫濕度、煙霧報警等信息）能夠?qū)崟r顯示在監(jiān)測端的PC屏幕上．?dāng)?shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)所設(shè)置的時間記錄全部數(shù)據(jù)，保存有各傳感器節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)、報警紀(jì)錄等信息．

2.3.2 報警本系統(tǒng)有自動報警功能，方便監(jiān)測端及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患等異常情況．

2.3.3 數(shù)據(jù)存儲采用通用的Access數(shù)據(jù)庫，將實(shí)時數(shù)據(jù)按要求存入數(shù)據(jù)庫中，用戶可從數(shù)據(jù)庫中查詢歷史數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)備份［10］．

圖8 上位機(jī)程序界面Fig.8 PC program interface

3 實(shí)驗(yàn)

為測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸能力以及穩(wěn)定性，通過傳輸一個8字符長度的數(shù)據(jù)進(jìn)行性能的檢測．由于系統(tǒng)中GPRS網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能取決于運(yùn)營商，因此測試主要以協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)之間的傳輸條件為前提進(jìn)行實(shí)驗(yàn)．經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得出相關(guān)測試結(jié)果，如表1和表2所示．

通過一般室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行測試，分析數(shù)據(jù)后可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點(diǎn)在無障礙物的近距離范圍內(nèi)（12 m），數(shù)據(jù)沒有丟失，且準(zhǔn)確率高，更新速度快，但是在20 m以上出現(xiàn)了較大的數(shù)據(jù)丟失情況；當(dāng)存在門或墻等障礙物時，在3 m范圍以內(nèi)均可以正常通信，且準(zhǔn)確率高，更新速度快．因此，在一般的家居環(huán)境下，將協(xié)調(diào)器放置于終端節(jié)點(diǎn)之間的適當(dāng)位置，可以實(shí)現(xiàn)無線采集環(huán)境信息的功能，能夠滿足一般家居環(huán)境的監(jiān)控需求，滿足工程設(shè)計(jì)要求．

表1 無障礙物測試結(jié)果Table 1 Testing results without obstacle

表2 有障礙物測試結(jié)果Table 2 Testing results with obstacle

4 結(jié)語

利用WSN、GPRS等技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)基于WSN與GPRS技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)利用WSN的無線特性進(jìn)行家居信息的采集，通過GPRS將WSN網(wǎng)絡(luò)接入因特網(wǎng)，數(shù)據(jù)信息通過遠(yuǎn)程端上位機(jī)軟件程序進(jìn)行顯示與存儲，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸.該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、能耗小、成本低、易擴(kuò)展，可廣泛應(yīng)用在其他類似的監(jiān)控場合.

致謝

衷心感謝福建省教育廳及廈門理工學(xué)院提供的資金資助，以及光電與通信工程學(xué)院所有老師的支持！

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Design of monitoring system based on wireless sensor network and general packet radio service

FENG Chen－wei
School of Opto－electronic and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China

With the quick development of our country’s economy and society，the home environment and security attracts wide attention of the masses．To settle the current lack of home monitoring system，a smart home remote monitoring system based on wireless sensor network（WSN）and general packet radio service（GPRS）was designed．The system uses CC2530 chip produced by TI and corresponding sensors to build the WSN home area network，then the data collected such as light intensity，temperature，humidity，smoke alarms are sent remotely through GPRS and Internet network，monitored by PC finally．The current state of the environment can be viewed by PC and then be preserved；meanwhile automatic alarm also can be achieved．The principle of the system hardware and the implementation methods of the software are introduced，including the node designing，networking forming process，data transmission capabilities，PC software design．The actual test results show that the system is reliable and easy to expand with friendly software interface．

wireless sensor network；ZigBee technology；general packet radio service technology；remote monitoring；CC2530 chip

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.07.014

1674－2869（2015）07－0065－06

本文編輯：陳小平

2015－06－19

福建省中青年教師教育科研項(xiàng)目A類（JA14233）；國家自然科學(xué)基金（61202013）

馮陳偉（1981－），男，福建寧德人，講師，博士研究生．研究方向：無線傳感網(wǎng)．