基于ZigBee和GSM/3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

閆文娟，王水璋

(1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京211135;2.南京達(dá)智通信技術(shù)有限責(zé)任公司，江蘇 南京210013)

0 引言

ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是最近發(fā)展起來(lái)的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，由于具有近距離、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性和安全性高、實(shí)現(xiàn)成本低等特點(diǎn)，成為目前最常用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)解決方案。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)通信距離較近(一般在50～100 m的范圍內(nèi))，因此適于一定距離范圍內(nèi)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)終端產(chǎn)品的管理和控制。

隨著GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)的迅速普及和移動(dòng)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，利用GSM/3G網(wǎng)絡(luò)傳輸基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，可以靈活地構(gòu)建起巨大的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程智能管理監(jiān)控，它無(wú)距離限制，改變了傳統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸距離的限制，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)，從而可以實(shí)現(xiàn)更大范圍、更廣應(yīng)用的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，給用戶帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與安全的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種以ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，并將其用于環(huán)境的溫濕度檢測(cè)和控制，取得了很好的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要由終端節(jié)點(diǎn)、中心節(jié)點(diǎn)和主控節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)GSM/3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)傳輸Zig-Bee傳感網(wǎng)絡(luò)的信息，協(xié)同地完成對(duì)環(huán)境信息的監(jiān)測(cè)和控制管理。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

終端節(jié)點(diǎn)分布于需要監(jiān)測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)上傳給中心節(jié)點(diǎn)，并接收和執(zhí)行中繼節(jié)點(diǎn)或主控節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的管理控制命令對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行管理控制，達(dá)到自動(dòng)或手動(dòng)監(jiān)控。

中心節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GSM/3G通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換處理，用GSM/3G網(wǎng)絡(luò)的SMS或GPRS方式把數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⑾到y(tǒng)中心的主控節(jié)點(diǎn)。

主控節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集中管理功能，完成網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控管理功能。

兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作原理結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖2 兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作原理結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用先進(jìn)的GSM/3G無(wú)線通信技術(shù)、ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和系統(tǒng)軟件編程等技術(shù)，可以實(shí)時(shí)感知、采集和監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息，對(duì)這些信息進(jìn)行處理，并傳送給所需用戶進(jìn)行管理和監(jiān)控。

GSM通信模塊主要采用SIM700四頻GSM/GPRS/EDGE無(wú)線通訊模塊，負(fù)責(zé)收發(fā)命令短信和傳輸數(shù)據(jù)信息;ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)主要采用IP_Link2034無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，負(fù)責(zé)組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和管理控制區(qū)域內(nèi)的設(shè)備;處理器采用超低功耗的MSP430F149單片機(jī)。系統(tǒng)硬件框圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)硬件框圖

主處理模塊：以MSP430F149單片機(jī)為核心，包括外圍電路、電源管理電路、接口電路以及告警提示電路等，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、執(zhí)行控制、接口數(shù)據(jù)通信、告警提示以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)管理等，是整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊。

傳感器模塊：目前為溫濕度傳感器，可以根據(jù)需求采用不同的傳感器，如：氣體、光感、震動(dòng)、壓力傳感器等。

控制電路模塊：包括驅(qū)動(dòng)電路、繼電器(3個(gè))、紅外二極管(1個(gè))等一些控制電路。

顯示電路模塊：包括液晶顯示電路、外圍驅(qū)動(dòng)電路等，用于顯示需要。

GSM/3G網(wǎng)絡(luò)模塊：以GSM/GPRS/EDGE/TD－SCDMA/WCDMA模塊為核心，包括其他外圍電路、SIM卡、天線等，其具有小尺寸和低功耗特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、SMS和GPRS信息的高速傳輸。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊：以IP－link2034無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊為核心，包括其他外圍電路、天線等，其支持基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的星狀、混合樹狀、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等彈性化拓樸設(shè)計(jì)，能在網(wǎng)狀或多次跳接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，通信速率可達(dá)250kbps，最大支持65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)。

存儲(chǔ)模塊：用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸或歷史查詢。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件概述

本系統(tǒng)軟件就是解決數(shù)據(jù)控制中心與遠(yuǎn)程采集控制終端的遠(yuǎn)程無(wú)線通信問(wèn)題，系統(tǒng)中采用GSM/3G無(wú)線通信模塊SIM700和ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)模塊IP_Link2034實(shí)現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信，GSM/3G無(wú)線通信模塊SIM700通過(guò)AT命令來(lái)進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)傳輸采用通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸兼容短消息方式傳輸。

按照系統(tǒng)要求具有良好的公用性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，系統(tǒng)的軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式，主要包括：主處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集處理模塊、控制管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)模塊、各節(jié)點(diǎn)的功能配置模塊、其他處理模塊等。

軟件總體結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)需要，數(shù)據(jù)采集控制終端節(jié)點(diǎn)任務(wù)是轉(zhuǎn)換并處理外圍傳感器采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)定命令發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)控制中心或管理人員，另外終端節(jié)點(diǎn)還要根據(jù)數(shù)據(jù)控制中心或管理人員發(fā)來(lái)的命令執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作并向上層作出應(yīng)答;終端節(jié)點(diǎn)把上層需要的數(shù)據(jù)通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)傳給GSM通信模塊。GSM通信模塊把收到的信息，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)和控制中心，或者以短信形式發(fā)送到用戶手機(jī)上。如果有異常情況，則終端節(jié)點(diǎn)可以報(bào)警并以短信的形式報(bào)告給管理者。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，各功能模塊以子函數(shù)形式，縮短軟件開發(fā)時(shí)間，易于程序修改和移植。主處理模塊主要是將各模塊進(jìn)行協(xié)調(diào)處理和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

主處理模塊軟件流程圖見圖5。

圖5 主處理模塊軟件流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果

目前本系統(tǒng)在一些醫(yī)藥倉(cāng)庫(kù)安裝并運(yùn)行，系統(tǒng)總體性能達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，尤其是在簡(jiǎn)化設(shè)備安裝布線，提高系統(tǒng)移動(dòng)性和便攜性以及遠(yuǎn)距離監(jiān)控等方面效果十分顯著。終端節(jié)點(diǎn)被分布在倉(cāng)庫(kù)的需要監(jiān)測(cè)和控制的地方(圖6)，節(jié)點(diǎn)每隔15 min(可調(diào))采集一次環(huán)境的溫濕度信息并發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)相連，對(duì)網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和分析。節(jié)點(diǎn)安裝完畢通電后，便可進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)物品的儲(chǔ)存環(huán)境，另外，當(dāng)溫濕度達(dá)到一定的限定值時(shí)啟動(dòng)報(bào)警，同時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行手動(dòng)或自動(dòng)控制空調(diào)等設(shè)備的開啟或停止，專用的監(jiān)控管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示倉(cāng)庫(kù)的溫濕度并進(jìn)行一些有關(guān)處理。

圖6 終端節(jié)點(diǎn)安裝應(yīng)用圖

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)見圖7。

圖7 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)軟件

數(shù)據(jù)曲線圖見圖8。

圖8 數(shù)據(jù)曲線圖

該系統(tǒng)軟件可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的溫度和濕度連網(wǎng)監(jiān)測(cè)記錄，將溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行碾娔X上進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析，完全不需要人工干預(yù)，避免了人工查表、操作的失誤，能夠顯示一定時(shí)間內(nèi)的歷史趨勢(shì)圖，溫度、濕度變化的曲線圖;打印溫濕度變化的記錄數(shù)據(jù)和曲線，同時(shí)，該系統(tǒng)具有超限報(bào)警和控制功能，當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)超過(guò)設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，系統(tǒng)能對(duì)外發(fā)出報(bào)警信息，及時(shí)通知管理人員進(jìn)行處理。該系統(tǒng)產(chǎn)品為許多應(yīng)用場(chǎng)所環(huán)境的精確監(jiān)控提供了科學(xué)依據(jù)，減少了管理者的工作量和繁雜度。若改變其范圍或應(yīng)用到其他的監(jiān)測(cè)環(huán)境中，需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模，只需適當(dāng)改變監(jiān)控點(diǎn)位置和增加或減少測(cè)量點(diǎn)數(shù)目，實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便。

5 結(jié)論

本無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有以下有益效果：

1)自組織：ZigBee網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無(wú)需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)具有自組織功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境發(fā)生變化或節(jié)點(diǎn)增加和減少時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)修改路由表，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)路由的自適應(yīng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)重構(gòu)。

2)無(wú)中心：ZigBee自組網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心，節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何終端節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。

3)動(dòng)態(tài)拓?fù)洌篫igBee自組網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)。網(wǎng)絡(luò)具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能，無(wú)須進(jìn)行人工干預(yù)。

4)可靠的網(wǎng)絡(luò)：終端節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)采用隨機(jī)部署，能適應(yīng)環(huán)境的變化，非常堅(jiān)固，不易損壞。

5)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大：可以靈活地構(gòu)建起巨大的無(wú)線傳感監(jiān)測(cè)控制通信網(wǎng)絡(luò)。

6)通信距離遠(yuǎn)：將ZigBee自組織傳感網(wǎng)絡(luò)與GSM/3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái)，它無(wú)距離限制，改變了傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸距離的限制。

這種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也可以廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、國(guó)防軍事、智能交通、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全、食品保鮮、現(xiàn)代物流等領(lǐng)域，可以說(shuō)是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一場(chǎng)革命，具有廣闊的市場(chǎng)潛力和美好的應(yīng)用前景。

［1］辛穎，謝光，蔣亞?wèn)|.基于ZigBee協(xié)議的溫度濕度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(7)：28-31.

［2］毛錢萍.遠(yuǎn)程自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子工程師，2006，32(5)：62-65.

［3］袁汶雯.GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难芯亢蛻?yīng)用［D］.浙江：浙江大學(xué)，2003.

［4］王洪霞，孟麗囡.基于GSM短消息的通信電源監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.通信電源技術(shù)，2010，27(1)：60-62.

［5］陳祥，薛美盛，王俊.基于ZigBee協(xié)議的溫室環(huán)境無(wú)線測(cè)控系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2007，3(03)：39-41.

［6］譚澤富，雷國(guó)平，蔡黎.GPRS在農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2007，3(11)：187-189.

［7］李家福.基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)［D］.西安：西南交通大學(xué)，2006.