多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

環(huán)境狀況在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)民生活等領(lǐng)域的重要作用日益顯著，如何對(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)有意義的課題。利用有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境狀況近距離監(jiān)測(cè)是傳統(tǒng)的手段，它存在布線復(fù)雜、困難，通信距離受限等缺點(diǎn)。隨著無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化與通信技術(shù)的結(jié)合使遠(yuǎn)程分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。
　融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠(yuǎn)程分布式環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程終端，基本不存在費(fèi)用和距離的限制。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成原理如圖1所示，它主要由三部分組成：Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程終端。Ad hoc WSN是一個(gè)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)關(guān)完成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與GPRS/GSM和PSTN的無(wú)縫連接，將WSN的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)端；遠(yuǎn)程終端由手機(jī)和普通計(jì)算機(jī)組成,用于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況。

　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無(wú)線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性自治系統(tǒng)，具有無(wú)中心、自組織、多跳路由和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，適合組建大規(guī)模分布式WSN。無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)。節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層使用AODVjr路由算法，AODVjr算法是針對(duì)AODV算法的改進(jìn)，考慮到IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在節(jié)能、成本、應(yīng)用方便性等因素，簡(jiǎn)化AODV的一些特點(diǎn)，但是仍然保持AODV的原始功能[1]。采用AODVjr算法的好處，就是無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每次與網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，總能找到一條最佳路徑；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)處于睡眠或停止工作時(shí)，仍不影響其他節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的通信。
　通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸。公共交換電話網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Network)是基于標(biāo)準(zhǔn)電話線路的電路交換服務(wù)，用來(lái)作為連接遠(yuǎn)程端點(diǎn)的方法，其特點(diǎn)是分布廣泛，通信費(fèi)用低廉。
2 硬件設(shè)計(jì)
　設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括采集環(huán)境狀況的無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和進(jìn)行多網(wǎng)融合的網(wǎng)關(guān)兩大部分。
2.1無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
　無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用“MCU+RF+Sensor”的模式，如圖2所示。單片機(jī)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2，它有兩個(gè)串口,片內(nèi)集成60 KB的Flash存儲(chǔ)器，1 280 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1 KB的EEPROM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器[2]。無(wú)線模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2034，該模塊符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率是2.4  GHz，屬免許可證的ISM頻段。STC12C5A60S2與IP-Link1221-2034之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，前者的串口屬5 V TTL電平，后者的串口是3.3 V TTL電平，兩者連接時(shí)要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

　傳感器主要用煙霧傳感器MQ-2、煤氣傳感器MQ-5、CO傳感器MQ-9、Hamamatsu公司的光敏電阻P1201-04,以及奧松公司的單總線數(shù)字溫濕度傳感器DHT11、Dallas公司的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20。光照度、煙霧、煤氣和CO傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，直接送至STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
　發(fā)光二極管主要用于指示無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；1602液晶用于顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，可以關(guān)閉液晶以節(jié)約電能;獨(dú)立按鍵主要用于設(shè)置環(huán)境狀況的報(bào)警上下限；當(dāng)環(huán)境狀況超過(guò)報(bào)警門(mén)限時(shí)，蜂鳴器將發(fā)聲報(bào)警。
2.2 網(wǎng)關(guān)
　網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖3所示,它主要實(shí)現(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和GPRS/GSM及PSTN的連接，將WSN采集到的數(shù)據(jù)定時(shí)報(bào)告給遠(yuǎn)端控制中心或手機(jī)。如果現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)超標(biāo)，也可以立刻上報(bào)。同時(shí)，遠(yuǎn)端控制中心或手機(jī)可以主動(dòng)查詢WSN的狀況。

   網(wǎng)關(guān)主要由兩個(gè)STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制器，它們通過(guò)互為主從方式的SPI總線連接。STC12C5A60S2_1連接Ad hoc無(wú)線模塊，通過(guò)SPI總線將WSN采集的環(huán)境狀況數(shù)據(jù)傳輸給STC12C5A60S2_2，后者通過(guò)串口連接GPRS/GSM模塊及嵌入式Modem（Embedded Modem，eModem）,以接入GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)、Internet和PSTN。
2.2.1 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)接口
　STC12C5A60S2_2通過(guò)GPRS模塊連接GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)和Internet。GPRS模塊主要采用明基公司的M23G設(shè)計(jì)，其內(nèi)部集成PPP和TCP／IP協(xié)議棧；支持網(wǎng)絡(luò)類型GPRS Class 8，GPRS Class B；共支持三個(gè)頻段：EGSM 900MHz、DCS1800MHz和PCS1900 MHz，具有短消息服務(wù)、語(yǔ)音通話、數(shù)據(jù)傳真等功能[3]。設(shè)計(jì)的GPRS模塊工作穩(wěn)定可靠，性價(jià)比高。
　M23G的工作電壓是3.3~4.5 V，設(shè)計(jì)電源的時(shí)候取3.8 V的電壓，模塊在工作中最大的瞬間電流能夠達(dá)到2 A，考慮到大電流的需要，采用開(kāi)關(guān)型可調(diào)高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941構(gòu)造GPRS電源。
　STC12C5A60S2_2與M23G模塊采用串行方式通信,波特率為9 600 b/s。M23G的DSR引腳與單片機(jī)的P2.4口相連，DSR為高表示模塊處在數(shù)據(jù)模式，為低表示處在命令模式。M23G的DTR引腳與單片機(jī)的P1.1口相連，可通過(guò)控制此引腳電平的高低時(shí)間來(lái)進(jìn)行M23G的數(shù)據(jù)態(tài)和命令態(tài)的切換。
2.2.2 PSTN網(wǎng)絡(luò)接口
   STC12C5A60S2_2經(jīng)由eModem撥號(hào)，通過(guò)PSTN網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)。天石科技公司的串行總線eModem是5V TTL電平，可直接與單片機(jī)進(jìn)行串行通信。該eModem具有14.4 kb/s～56 kb/s的傳輸速率, 支持V.32bis、V.34和V.90標(biāo)準(zhǔn), 支持標(biāo)準(zhǔn)AT命令集撥號(hào)/自動(dòng)應(yīng)答功能, 具有普通Modem 的大部分技術(shù)參數(shù)及功能, 可方便地嵌入到微控制器設(shè)計(jì)中[4]。因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量不大，eModem的流控功能可以不使用。STC12C5A60S2_2可通過(guò)P1.4引腳控制eModem進(jìn)行復(fù)位。
3 軟件設(shè)計(jì)
　無(wú)線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)中使用的單片機(jī)均為STC12C5A60S2，其固件用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，在Keil uVision3中編譯生成。監(jiān)控中心的軟件用LabVIEW設(shè)計(jì)，服務(wù)器網(wǎng)頁(yè)用ASP語(yǔ)言編寫(xiě)。
3.1 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)
　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的無(wú)線節(jié)點(diǎn)除了要采集傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行人機(jī)交互外,還要查找路由，替其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。維護(hù)網(wǎng)絡(luò)是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作，采用傳統(tǒng)的單一線程結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。因此，從程序開(kāi)發(fā)、維護(hù)方便的角度出發(fā)，將嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)Small RTOS51移植于無(wú)線節(jié)點(diǎn)中的STC12C5A60S2單片機(jī)。
　Small RTOS51具有公開(kāi)源代碼、可移植、可固化、占先式、中斷管理和RAM需求小的特點(diǎn)[5]。如圖4所示，讓Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的AODVjr協(xié)議棧及其上層運(yùn)行于Small RTOS51之上。網(wǎng)絡(luò)層采用AODVjr路由算法，它可能要同時(shí)處理查找路由、維護(hù)路由、收發(fā)數(shù)據(jù)等工作， Small RTOS51能夠即時(shí)處理上述幾種任務(wù)，同時(shí)給應(yīng)用層程序提供多任務(wù)接口。

3.2 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)
　單片機(jī)主要通過(guò)AT命令控制GPRS模塊，以實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接、PDP激活、以太網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸。GPRS模塊常用的AT如表1所示。

3.3 PSTN網(wǎng)絡(luò)
　網(wǎng)關(guān)連接的eModem工作在自動(dòng)應(yīng)答的主叫模式下,單片機(jī)主要通過(guò)表2的AT命令對(duì)eModem進(jìn)行設(shè)定和通信控制。通信主要有三個(gè)步驟：(1)初始化：設(shè)定結(jié)果碼格式，回顯命令及應(yīng)答方式；(2)呼叫或應(yīng)答：進(jìn)入實(shí)際的數(shù)據(jù)/命令通信過(guò)程；(3)斷開(kāi)連接：掛機(jī)。

3.4 計(jì)算機(jī)端軟件
　服務(wù)器采用微軟的IIS(Internet Information Service)技術(shù)，利用ASP語(yǔ)言編寫(xiě)動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)代碼，網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)由服務(wù)器接收后，保存在后臺(tái)ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中，操作者可登錄服務(wù)器查詢遠(yuǎn)程WSN的狀況。
　遠(yuǎn)端監(jiān)控中心通過(guò)普通Modem連接PSTN網(wǎng)絡(luò)，其計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)軟件采用美國(guó)國(guó)家儀器NI(National Instruments)公司推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW實(shí)現(xiàn)。它可以為用戶提供簡(jiǎn)明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來(lái)，十分省時(shí)簡(jiǎn)便。
　利用LabVIEW也可以很方便地作圖，把Modem接收到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀顯示，圖5是用LabVIEW設(shè)計(jì)的軟件界面。

    融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠(yuǎn)程分布式系統(tǒng)可以充分發(fā)揮各種有線與無(wú)線、短距離與長(zhǎng)距離網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)環(huán)境狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)硬件成本低廉，對(duì)供電和通信網(wǎng)絡(luò)的需求少，通信費(fèi)用低，適用性廣，人機(jī)交互界面友好，管理操作簡(jiǎn)單。適當(dāng)改換傳感器，系統(tǒng)即可在工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、環(huán)境檢測(cè)、安防、智能家電、醫(yī)學(xué)等實(shí)際應(yīng)用中廣泛推廣，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
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