基于Internet網(wǎng)絡架構的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)
摘要: 由MD600G和無線傳感器節(jié)點組成了基于Internet網(wǎng)絡架構的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)了遠程分布節(jié)點的過程行為實時數(shù)據(jù)跟蹤和實時數(shù)據(jù)庫生成。本系統(tǒng)不僅具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點，而且還實現(xiàn)了通信信息的無線透明傳輸和基于Internet可視化動態(tài)數(shù)據(jù)顯示等功能。
引言
隨著微機電系統(tǒng)(Micro?Electro?Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)（System on Chip，SoC）、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks, WSN)也以其低功耗、低成本、分布式和自組織等特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡。
無線傳感器網(wǎng)絡可連接眾多類型的傳感器，可探測包括地震波、電磁場、溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小和速度等?；贛EMS的微傳感技術和無線互聯(lián)網(wǎng)技術為無線傳感器網(wǎng)絡賦予了廣闊的應用前景，在航空、反恐、防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域有廣泛的應用。本文以無線溫度傳感器節(jié)點和無線數(shù)據(jù)終端MD600G為例，介紹了基于MD600G的Internet無線傳感器網(wǎng)絡的設計，并給出了對溫度數(shù)據(jù)的可視化處理等操作的實現(xiàn)。
1 基于Internet的無線傳感器網(wǎng)原理
1.1 MD600G簡介
智能無線數(shù)據(jù)終端MD600G可以用于數(shù)據(jù)中心和被監(jiān)控設備間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程透明傳輸。MD600G的內(nèi)部結構如圖1所示，它有如下特點：
?、倩贏RM平臺、8 MB數(shù)據(jù)緩存，內(nèi)置Siemens MC35i GPRS無線模塊；
?、谇度胧絃inux系統(tǒng)，包含TCP/IP協(xié)議棧以及ETCPTM協(xié)議，保證傳輸數(shù)據(jù)不丟失；
?、厶峁┆毩S232配置串口及標準RS232/485數(shù)據(jù)接口；
?、芊想姽る娮赢a(chǎn)品低溫GB/T2423.1、高溫GB/T2423.2的要求，適于在氣候條件惡劣的地區(qū)及戶外使用；
?、菘梢钥焖龠B接RTU、PLC、工控機等設備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸，廣泛應用于電力抄表、配電自動化、路燈監(jiān)控、道路交通等行業(yè)。
圖1 MD600G硬件結構圖
1.2 無線傳感器網(wǎng)絡
由MD600G組成的基于Internet無線傳感器網(wǎng)絡原理圖如圖2所示。
圖2 無線傳感器網(wǎng)絡結構原理圖
圖2中的用戶設備是自行開發(fā)的溫度傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點采樣的數(shù)據(jù)通過RS232/485接口傳送到智能無線數(shù)據(jù)終端MD600G，MD600G對接收到的數(shù)據(jù)通過GPRS與Internet連接并進行無線數(shù)據(jù)透明傳送，服務器mSever端通過Internet網(wǎng)將接收到的數(shù)據(jù)生成實時數(shù)據(jù)庫，同時將這些實時數(shù)據(jù)以WEB頁的形式動態(tài)顯示和跟蹤。
1.3 溫度傳感器節(jié)點
溫度傳感器節(jié)點模塊主要由溫度傳感器DS18B20組成，并將其輸出的溫度數(shù)據(jù)送往單片機，然后單片機將這些數(shù)據(jù)進行相關處理，最后再送往后續(xù)的通信設備，并將溫度數(shù)據(jù)進行數(shù)碼管或液晶屏顯示。這里采用了實時時鐘電路DS1302來實現(xiàn)該系統(tǒng)的實時性。
2 軟件設計
基于MD600G和Internet的無線傳感器網(wǎng)的軟件包括溫度傳感器節(jié)點的軟件設計、MD600G與溫度傳感器節(jié)點的串口軟件設計、服務器mSever端與Internet網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信軟件及mSever端溫度數(shù)據(jù)可視化程序的設計等。
2.1 mSever端溫度數(shù)據(jù)可視化程序設計
利用Visual C++強大的編譯器以及網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)庫的處理能力，開發(fā)出基于Windows平臺的32位數(shù)據(jù)可視化應用程序。圖3是mSever端溫度數(shù)據(jù)可視化程序設計的原理圖。
圖3 可視化界面的設計原理圖
以下為可視化界面模塊源碼：
void CDemoView::OnInitialUpdate() {
CView::OnInitialUpdate();
CRect Rect;
GetClientRect(Rect);
m_Plot.Create(WS_CHILD|WS_VISIBLE,Rect,this,12000);
m_Plot.SetSerie(0, PS_SOLID, RGB(255,0,0), 0.0, 40.0, "Temperature");//窗口
m_Plot.SetLegend(0, PS_SOLID, RGB(255,0,0), "Temperature");//背景方框
m_Plot.m_bAutoScrollX=TRUE;
SetTimer(1,1000,NULL);//背景刷新時間
canSize=TRUE;
}
void CDemoView::OnTimer(UINT nIDEvent) {
static BOOL pros={FALSE};
if(!pros) {
pros=TRUE;
CDemoDoc* pDoc=GetDocument();
ASSERT_VALID(pDoc);
y=pDoc->p.buffer;
m_Plot.AddPoint(0,CTime::GetCurrentTime(),y);
Invalidate();
pros=FALSE;
}
CView::OnTimer(nIDEvent);
}
void CDemoView::OnSize(UINT nType, int cx, int cy) {
CView::OnSize(nType, cx, cy);
if(canSize) {
CRect Rect;
GetClientRect(Rect);
m_Plot.MoveWindow(Rect);
}
}
void CDASocket::OnReceive(int nERRORCode) { //接收數(shù)據(jù)端的程序
char buff[64];
int ret=0;
ret=Receive(buff,64);//AfxMessageBox("OK");
if(ret==ERROR)
{TRACE("ERROR!");}
else
m_pDoc->Presscessding(buff);
CAsyncSocket::OnReceive(nErrorCode);
}
圖4是用Visual C++開發(fā)的mSever端溫度數(shù)據(jù)可視化顯示的界面，圖中顯示的是1個節(jié)點的溫度變化實時曲線。
圖4 服務器mSever端溫度數(shù)據(jù)可視化顯示界面
2.2 mSever端Web訪問程序設計
為了實現(xiàn)多個客戶端可以同時訪問數(shù)據(jù)中心服務器，規(guī)定客戶端在打開服務器的Web頁面時，首先提交客戶端的IP地址，然后服務器端把客戶端的IP地址收錄入庫，再將接收到的溫度數(shù)據(jù)轉發(fā)給指定的客戶端。因此，當有多個客戶端同時訪問數(shù)據(jù)中心服務器時，服務器端只需要將各個客戶端的IP地址收錄入庫，最后再循環(huán)不斷地往各個客戶端轉發(fā)溫度數(shù)據(jù)即可。
當客戶端斷開與服務器端的連接時，將向服務器提交斷開請求，從服務器端的IP地址庫中釋放掉該客戶端的IP地址，從而實現(xiàn)了服務器端IP地址庫的動態(tài)更新。
2.3 節(jié)點溫度采集軟件設計
以下為溫度傳感器節(jié)點的溫度采集部分代碼：
#include "Mini51B.h"//Mini51板頭文件
#include "LCD1602.h"//液晶模塊頭文件
#include "ds18b20.h"//溫度傳感器頭文件
#include "stdio.h"//C標準函數(shù)庫，系統(tǒng)集成
#include "DS1302.h"
#define uchar unsigned char
uchar n,temp;
uchar a[6]="000000"; //串口字符串
SYSTEMTIME RTC;
void main(void) {
float V; //記錄溫度浮點型
uchar str_buff[20];//字符緩沖區(qū)
SCON=0x50;//串口工作在方式1，波特率9600，//晶振為22.1184 MHz
PCON=0;
TMOD=0x20;//定時器1工作在方式2
TH1=0xfa;
TL1=0xfa;
IE=0x91;//1001 0001，EA＝1，ES＝1，EX0＝1
IT0=1;//外部中斷0為低電平觸發(fā)方式
TR1=1;//定時器T1開始計數(shù)
ds18b20_init();//初始化溫度傳感器時鐘測試
Initial_DS1302();//初始化時鐘時間設定，執(zhí)行一次后刪除該部分
Write1302(DS1302_MINUTE, 0x11);
Write1302(DS1302_HOUR,0x08);
Write1302(DS1302_DAY,0x15);
Write1302(DS1302_MONTH,0x04);
Write1302(DS1302_YEAR,0x08);
lcd1602_init();
lcd_put_xyns(2,1,14,"<http://www.stuelab.cn/>");
delay_ms(1000);
while(1) {
for(n=0;n<10;n++) { //10*0.5 s=5 s數(shù)據(jù)發(fā)送周期
V=ReadTemperature()/100.0; //溫度部分
sprintf(str_buff,"%2.2f",V); //格式轉換
lcd_put_xyns(1,1,11,"Temperatur=");
lcd_put_xyns(12,1,5,str_buff);
seg7_disp(V*100);
sprintf(a,"%2.2f",V);//送串口字符串
DS1302_GetTime(&RTC);//時間部分
DateToStr(&RTC);
TimeToStr(&RTC);
lcd_put_xyns(1,2,8,RTC.DateString);
lcd_put_xyns(9,2,8,RTC.TimeString);
delay_ms(500);
}
for(n=0;n<6;n++) {
SBUF=a[n];
while(!TI);
TI=0;
}
}
}
void external0() interrupt 0{//外部中斷0發(fā)送數(shù)據(jù)
for(n=0;n<6;n++) {
SBUF=a[n];
while(!TI);
TI=0;
}
delay_ms(1100);
}
void receving() interrupt 4 {//串口中斷程序接收數(shù)據(jù)
temp=SBUF;
RI=0;
}
結語
經(jīng)過實際運行和測試證明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)誤差達到了規(guī)定的要求。本系統(tǒng)雖然是以無線溫度傳感器節(jié)點為例，但同樣也適合其他各種類型的無線傳感器節(jié)點，因此可以推廣到無線傳感器網(wǎng)絡的其他應用領域或行業(yè)，如電力抄表、配電自動化、路燈監(jiān)控、道路交通等。
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