基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

(南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，南京210044)

為解決部分環(huán)境監(jiān)控需要管理人員值守問題，提出了一種基于ZIGBEE與3 G網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境智能移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CC2530主控芯片，將傳感器所采集到的數(shù)據(jù)通過ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸?shù)絇C終端。在3 G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，VC編制的上位機(jī)與安卓智能移動(dòng)設(shè)備根據(jù)TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:管理人員通過使用上位機(jī)或者安卓智能移動(dòng)終端都能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、有效地監(jiān)控被測(cè)環(huán)境因子數(shù)據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng);ZIGBEE;CC2530;3 G;安卓

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感網(wǎng)絡(luò)在家居、工作、工業(yè)生產(chǎn)等環(huán)境監(jiān)控的應(yīng)用越來越廣泛。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控，比如廠區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所，人員密集的辦公環(huán)境，以及高價(jià)值溫室作物種植區(qū)域所采用監(jiān)控方式基本上都需要管理員定期值守，管理人員一旦離開監(jiān)控崗位，就會(huì)失去對(duì)環(huán)境的監(jiān)控。這樣往往會(huì)產(chǎn)生很大的安全隱患。國(guó)內(nèi)目前比較常用的監(jiān)控方式有:1)基于Zigbee與GSM的手機(jī)短信監(jiān)控方法;2)使用internet技術(shù)，通過訪問服務(wù)器對(duì)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控。這兩種方法雖然能解決以上問題，但是其人機(jī)互動(dòng)差，硬件投入成本高等缺點(diǎn)，目前使用率還不是很高。

1 關(guān)鍵技術(shù)

ZIGBEE是一種低數(shù)率、低功耗、短距離的雙向無線通訊技術(shù)［1］?；贗EEE 802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可以工作在歐洲通用的868 MHz、美國(guó)通用的915 MHz和全球廣泛使用2.4 GHz 3個(gè)頻段上，它們的傳輸速率最高分別可達(dá)到20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s，傳輸?shù)淖饔镁嚯x在10 m～100 m。在增加RF功率后，亦可以增加到1 km～3 km［2］，是物聯(lián)網(wǎng)經(jīng)常使用的一種技術(shù)，廣泛應(yīng)用在智能交通、家居環(huán)境、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。

3 G是第三代移動(dòng)通信技術(shù)。第三代與前兩代的主要差異是在傳輸速率上的提升，能夠更好地實(shí)現(xiàn)無縫漫游、圖像處理、音樂、視頻流以及提供網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電話會(huì)議、電子商務(wù)等功能［3］。目前我國(guó)主要有TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000 3種制式，它們分別被中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信所采用。

Android是以Linux為基礎(chǔ)的開放源碼的操作系統(tǒng)，廣泛使用于便攜式設(shè)備［4］。Android操作系統(tǒng)最初是由Andy Rubin開發(fā)，2005年由Google公司收購(gòu)，并聯(lián)合多家公司組成開放手機(jī)聯(lián)盟開發(fā)改良，便逐漸擴(kuò)展到到平板電腦及其他領(lǐng)域上。因自身的開放性，得到了許多硬件、軟件公司的大力支持。截至目前的數(shù)據(jù)顯示，僅僅三年時(shí)間就成為全球最受歡迎的智能手機(jī)平臺(tái)［5］。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端、協(xié)調(diào)器、PC機(jī)以及安卓智能手機(jī)組成。本系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是基于ZIGBEE無線通信技術(shù)組建局域網(wǎng)絡(luò)，采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)方式對(duì)溫室環(huán)境中溫度、光照、土壤濕度等環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集以及節(jié)點(diǎn)的管理工作，以保證終端數(shù)據(jù)能夠正確無誤的傳送到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過RS-232串口與PC機(jī)相連，上位機(jī)采用的是VC6.0所編寫的監(jiān)控界面。上位機(jī)包括監(jiān)測(cè)和控制兩種功能。監(jiān)測(cè)部分主要是接受到下位機(jī)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并能在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示;控制部分主要負(fù)責(zé)控制溫室設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。在智能手機(jī)監(jiān)控方面，PC上位機(jī)在3 G無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中與智能手機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。智能手機(jī)相當(dāng)于備用設(shè)備，當(dāng)監(jiān)控人員因?yàn)橛惺滦枰x開監(jiān)控崗位時(shí)，同樣可以通過智能移動(dòng)設(shè)備來遠(yuǎn)程控制上位機(jī)來對(duì)溫室環(huán)境實(shí)施監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采集模塊是以TI公司所生產(chǎn)的CC2530芯片為核心。其基本應(yīng)用電路如圖2所示(包括晶振、復(fù)位、天線以及供電電路)，外加一些傳感器、繼電器、電磁閥以及驅(qū)動(dòng)電路組成。CC2530是專門針對(duì)IEEE 802.15.4、ZIGBEE和RF4CE上的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案［7］。其特點(diǎn)是以很低的成本建立較強(qiáng)的的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。它融合了高效射頻收發(fā)機(jī)以及增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)具有可編程閃存，8 kbyte的RAM和其他強(qiáng)大的支持功能和外設(shè)。而且具有多種運(yùn)行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時(shí)CC2530運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，使其進(jìn)一步降低能源消耗。傳感器選用的是DS18B20數(shù)字溫度傳感器、5516型光敏電阻傳感器、以及以錫為電極涂層的電阻式土壤濕度傳感器(電路原理圖如圖3所示)。因?yàn)镃C2530的低功耗特點(diǎn)加上所采用的傳感器工作電壓都在3V到5V之間，所以本系統(tǒng)的電源直接由兩節(jié)干電池供電。

圖2 CC2530芯片基本應(yīng)用電路原理圖

圖3 電阻式土壤濕度傳感器原理圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZIGBEE協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)最初是由協(xié)調(diào)器發(fā)動(dòng)并且建立。協(xié)調(diào)器首先進(jìn)行信道掃描(Scan)，采用一個(gè)其他網(wǎng)絡(luò)沒有使用的空閑信道，同時(shí)規(guī)定Cluster-Tree的拓?fù)鋮?shù)。協(xié)調(diào)器程序流程如圖4所示。程序開始為系統(tǒng)初始化，包括關(guān)閉所有中斷、系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化、檢測(cè)芯片電壓、堆棧的初始化、芯片各硬件的初始化、形成節(jié)點(diǎn)MAC地址等一些底層硬件、協(xié)議棧的初始化。等初始化完成后，協(xié)調(diào)器開始建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，等待終端節(jié)點(diǎn)的加入［6］。等終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器就可以接受來自終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的傳感器數(shù)據(jù)。另一方面協(xié)調(diào)器還要將來自PC上位機(jī)的指令傳達(dá)到終端節(jié)點(diǎn)。

圖4 協(xié)調(diào)器程序流程圖

4.2 ZIGBEE終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)程序流程如圖5所示:主要是在初始化后，嘗試加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)(必須與協(xié)調(diào)器里面的通信信道設(shè)置一樣)。當(dāng)加入網(wǎng)絡(luò)成功后，還需完成終端節(jié)點(diǎn)的信息注冊(cè)。當(dāng)一切準(zhǔn)備完成后，終端節(jié)點(diǎn)主要做兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是監(jiān)控來自協(xié)調(diào)器的命令信號(hào)，根據(jù)命令做相應(yīng)的處理。另一個(gè)任務(wù)是循環(huán)對(duì)傳感器所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并將所采集的數(shù)據(jù)打包傳給協(xié)調(diào)器。

圖5 終端節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)功能主要包括串口通信和Socket網(wǎng)絡(luò)通信兩部分。串口通信采用的是主從式，一問一答，非問莫答，避免了傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)產(chǎn)生沖突。通信過程均有上位機(jī)發(fā)起，下位機(jī)(協(xié)調(diào)器)應(yīng)答。通訊波特率38 400 bit/s，8數(shù)據(jù)位，1停止位，無效驗(yàn)位。上位機(jī)與下位機(jī)的通訊協(xié)議格式如表1、表2所示。

表1 上位機(jī)通訊協(xié)議格式

(1)協(xié)議中的數(shù)字均是16進(jìn)制值;

(2)校驗(yàn)和=命令+數(shù)據(jù)高位+數(shù)據(jù)低位;

(3)命令碼為上位機(jī)握手命令和上位機(jī)上傳命令;

(4)數(shù)據(jù)均為單字節(jié)，校驗(yàn)和為命令碼與數(shù)據(jù)區(qū)各字節(jié)的校驗(yàn)和，校驗(yàn)和只取低字節(jié)校驗(yàn)和。高字節(jié)舍棄不用;

表2 下位機(jī)通訊協(xié)議格式

(1)校驗(yàn)和=命令+編號(hào)+數(shù)據(jù)高位+數(shù)據(jù)低位;

(2)命令碼為下位機(jī)握手命令應(yīng)答和下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)命令，其余同上;

網(wǎng)絡(luò)通信部分主要負(fù)責(zé)在移動(dòng)3 G網(wǎng)絡(luò)中與智能移手機(jī)客戶端進(jìn)行連接通過Socket通信方法，根據(jù)TCP/IP通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，相對(duì)于 UDP (User Datagram Protocol——無連接的協(xié)議)，TCP傳輸速率雖然不及UDP，但是其傳輸過程比UDP更加安全可靠［8］。其過程(程序流程如圖6所示)主要包括TCP協(xié)議的初始化、創(chuàng)建服務(wù)器套接字、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)函數(shù)等。其中在Bind函數(shù)中將Sercersock設(shè)置為異步非阻塞模式，并為它注冊(cè)各種網(wǎng)絡(luò)異步事件。待網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)函數(shù)設(shè)置好以后，通過OnAccept函數(shù)等待連接請(qǐng)求，阻塞直到有客戶端連接，這樣可以節(jié)省CPU資源。當(dāng)結(jié)束與客戶端通信之后需要用Closesocket函數(shù)釋放相應(yīng)的資源。

圖6 PC服務(wù)器程序流程圖

4.4 智能移動(dòng)客戶端的軟件設(shè)計(jì)

安卓智能手機(jī)客戶端應(yīng)用程序是以Java作為編程語言，通過Eclipse來創(chuàng)建和開發(fā)的，使用JAVA開發(fā)包JDK以及安卓ADT進(jìn)行軟件開發(fā)和調(diào)試?？蛻舳塑浖O(shè)計(jì)分為兩部分:第1部分為用戶界面設(shè)計(jì)如圖7所示:上區(qū)域?yàn)檫B接以及顯示部分，下區(qū)域?yàn)榭刂频喂嚅y門控制部分。第2部分為:與IP主機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。其過程主要包括初始化、創(chuàng)建SOCKET連接、向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求、接受數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令、退出程序等。

圖7 智能手機(jī)客戶端主界面

5 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，分別對(duì)兩個(gè)相連的溫室環(huán)境進(jìn)行采樣。利用PC上位機(jī)(如圖8)可以看出溫室一土壤濕度為73，低于警報(bào)值(試驗(yàn)土壤濕度設(shè)定的警戒值為75)的下限，該系統(tǒng)準(zhǔn)確的發(fā)出了警報(bào)。同樣當(dāng)測(cè)試人員遠(yuǎn)離監(jiān)控室，利用移動(dòng)智能手機(jī)(如圖9～圖11所示)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示智能移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用軟件同樣可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，然后我們可以按下噴灌一按鈕或者上位機(jī)的閥門控制開關(guān)，實(shí)驗(yàn)觀察溫室節(jié)點(diǎn)一噴灌設(shè)備能正常工作。

圖8 PC上位機(jī)

圖9 溫室土壤顯示效果圖

圖10 溫室溫度顯示效果圖

圖11 溫室光強(qiáng)顯示效果圖

6 結(jié)論

本文提出了基于無線傳感網(wǎng)的智能移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。分別從終端采集節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、PC服務(wù)器、以及智能移動(dòng)客戶端來介紹其設(shè)計(jì)思路。本系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)是解決了管理人員因?yàn)槊撾x監(jiān)控崗位而失去對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控的不便性，有效地減少了人員的工作量，并且本系統(tǒng)使用成本低、硬件數(shù)量少、可擴(kuò)展性強(qiáng)，為環(huán)境監(jiān)控提供了一種新穎的方法。

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基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

王志偉，錢承山*，李 俊，丁金卉

Design of the Smart Mobile Monitoring System Based on Wireless Sensor Network*

WANG Zhiwei，QIAN Chengshan*，LI Jun，DING Jinghui
(School of Information and Control，Nanjing University of Information Science and Technology，Nanjing210044，China)

In order to solve the problem thatwatchkeepers are required to on scene in somemonitoring situation，a smartmobilemonitoring system based on ZIGBEE and 3 G network was proposed.The system took CC2530 as its control chip，data obtained by Sensorwas transfered to the PC terminal via the ZIGBEE wireless network，developed the host computer of using VC and smartmobile devices based on TCP/IP communication protocols for data transmission in a 3 G network。The experimental results show thatwith the help of PC or Android smartmobile terminals，themanagers can get accurate and effective parameters remotely in real time.

web of things;ZIGBEE;CC2530;3 G;Android

10.3969/j.issn.1005－9490.2013.06.028

TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1005－9490(2013)06－0876－05

項(xiàng)目來源:南京信息工程大學(xué)科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(20100307);南京信息工程大學(xué)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(N1885012014，11JY014)

2013-03-26修改日期:2013-04-10

EEACC:6150P

王志偉(1988-)，男，漢，江蘇鹽城人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，490045838@qq.com;

錢承山(1971-)，男，漢，山東泰安人，南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榉蔷€性系統(tǒng)控制、自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、智能終端與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等，qianchengshan @163.com。