基于ZigBee和GSM/3G網絡技術的無線傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)設計與應用

閆文娟，王水璋

(1.南京機電職業(yè)技術學院，江蘇 南京211135;2.南京達智通信技術有限責任公司，江蘇 南京210013)

0 引言

ZigBee網絡技術是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術，由于具有近距離、低功耗、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網絡容量大、兼容性和安全性高、實現(xiàn)成本低等特點，成為目前最常用的無線傳感網絡解決方案。由于ZigBee網絡技術通信距離較近(一般在50～100 m的范圍內)，因此適于一定距離范圍內無線傳感網絡終端產品的管理和控制。

隨著GSM/3G通信網絡的迅速普及和移動通信技術的飛速發(fā)展，將ZigBee網絡技術與GSM/3G通信網絡技術結合起來，利用GSM/3G網絡傳輸基于ZigBee無線傳感網絡的數(shù)據(jù)，可以靈活地構建起巨大的無線通信網絡，實現(xiàn)無線傳感網絡遠程智能管理監(jiān)控，它無距離限制，改變了傳統(tǒng)無線傳感網絡數(shù)據(jù)傳輸距離的限制，使網絡具有非常顯著的優(yōu)點，從而可以實現(xiàn)更大范圍、更廣應用的無線傳感網絡系統(tǒng)，給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全的應用。

本文設計了一種以ZigBee網絡技術與GSM/3G通信網絡技術為核心的無線傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)，并將其用于環(huán)境的溫濕度檢測和控制，取得了很好的效果。

1 系統(tǒng)結構

設計的無線傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)主要由終端節(jié)點、中心節(jié)點和主控節(jié)點組成，通過GSM/3G網絡技術來傳輸Zig-Bee傳感網絡的信息，協(xié)同地完成對環(huán)境信息的監(jiān)測和控制管理。系統(tǒng)總體結構見圖1。

圖1 無線傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)總體結構圖

終端節(jié)點分布于需要監(jiān)測的現(xiàn)場，對現(xiàn)場信息進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)上傳給中心節(jié)點，并接收和執(zhí)行中繼節(jié)點或主控節(jié)點發(fā)來的管理控制命令對相關設備進行管理控制，達到自動或手動監(jiān)控。

中心節(jié)點實現(xiàn)ZigBee網絡與GSM/3G通信網絡的數(shù)據(jù)轉換處理，用GSM/3G網絡的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。

主控節(jié)點實現(xiàn)網絡系統(tǒng)的集中管理功能，完成網絡的監(jiān)控管理功能。

兩個網絡的工作原理結構圖見圖2。

圖2 兩個網絡的工作原理結構圖

2 硬件設計

系統(tǒng)采用先進的GSM/3G無線通信技術、ZigBee無線傳感網絡技術、嵌入式數(shù)據(jù)采集處理技術、分布式信息處理技術和系統(tǒng)軟件編程等技術，可以實時感知、采集和監(jiān)控網絡分布區(qū)域內的各種環(huán)境信息，對這些信息進行處理，并傳送給所需用戶進行管理和監(jiān)控。

GSM通信模塊主要采用SIM700四頻GSM/GPRS/EDGE無線通訊模塊，負責收發(fā)命令短信和傳輸數(shù)據(jù)信息;ZigBee無線傳感網絡主要采用IP_Link2034無線網絡模塊，負責組織無線傳感器網絡終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和管理控制區(qū)域內的設備;處理器采用超低功耗的MSP430F149單片機。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，負責數(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、告警提示以及整個網絡系統(tǒng)的協(xié)調管理等，是整個系統(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、壓力傳感器等。

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

顯示電路模塊：包括液晶顯示電路、外圍驅動電路等，用于顯示需要。

GSM/3G網絡模塊：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，可以實現(xiàn)語音、數(shù)據(jù)、SMS和GPRS信息的高速傳輸。

ZigBee網絡模塊：以IP－link2034無線網絡模塊為核心，包括其他外圍電路、天線等，其支持基于ZigBee網絡的星狀、混合樹狀、網狀網絡等彈性化拓樸設計，能在網狀或多次跳接無線網絡內支持串行數(shù)據(jù)路由，通信速率可達250kbps，最大支持65 535個節(jié)點。

存儲模塊：用于數(shù)據(jù)存儲，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸或歷史查詢。

3 軟件設計

3.1 軟件概述

本系統(tǒng)軟件就是解決數(shù)據(jù)控制中心與遠程采集控制終端的遠程無線通信問題，系統(tǒng)中采用GSM/3G無線通信模塊SIM700和ZigBee無線傳感網絡模塊IP_Link2034實現(xiàn)兩者的數(shù)據(jù)通信，GSM/3G無線通信模塊SIM700通過AT命令來進行控制，數(shù)據(jù)傳輸采用通過GSM網絡進行遠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)定性和擴展性，系統(tǒng)的軟件采用模塊化結構程序設計方式，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、無線通信網絡模塊、各節(jié)點的功能配置模塊、其他處理模塊等。

軟件總體結構見圖4。

圖4 軟件總體結構圖

3.2 軟件設計

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)需要，數(shù)據(jù)采集控制終端節(jié)點任務是轉換并處理外圍傳感器采集的數(shù)據(jù)，根據(jù)設定命令發(fā)送實時數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)控制中心或管理人員，另外終端節(jié)點還要根據(jù)數(shù)據(jù)控制中心或管理人員發(fā)來的命令執(zhí)行相應的控制動作并向上層作出應答;終端節(jié)點把上層需要的數(shù)據(jù)通過中心節(jié)點傳給GSM通信模塊。GSM通信模塊把收到的信息，通過GSM網絡發(fā)送到數(shù)據(jù)和控制中心，或者以短信形式發(fā)送到用戶手機上。如果有異常情況，則終端節(jié)點可以報警并以短信的形式報告給管理者。軟件設計采用模塊化編程，各功能模塊以子函數(shù)形式，縮短軟件開發(fā)時間，易于程序修改和移植。主處理模塊主要是將各模塊進行協(xié)調處理和實現(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)實際應用效果

目前本系統(tǒng)在一些醫(yī)藥倉庫安裝并運行，系統(tǒng)總體性能達到了預期設計目標，尤其是在簡化設備安裝布線，提高系統(tǒng)移動性和便攜性以及遠距離監(jiān)控等方面效果十分顯著。終端節(jié)點被分布在倉庫的需要監(jiān)測和控制的地方(圖6)，節(jié)點每隔15 min(可調)采集一次環(huán)境的溫濕度信息并發(fā)送給中心節(jié)點，中心節(jié)點再將數(shù)據(jù)轉發(fā)給主控節(jié)點，主控節(jié)點與監(jiān)控主機相連，對網絡采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和分析。節(jié)點安裝完畢通電后，便可進行長時間連續(xù)工作，實時監(jiān)測存儲物品的儲存環(huán)境，另外，當溫濕度達到一定的限定值時啟動報警，同時根據(jù)需要進行手動或自動控制空調等設備的開啟或停止，專用的監(jiān)控管理系統(tǒng)實時顯示倉庫的溫濕度并進行一些有關處理。

圖6 終端節(jié)點安裝應用圖

無線傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)見圖7。

圖7 無線傳感器網絡監(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)軟件可以實現(xiàn)多點的溫度和濕度連網監(jiān)測記錄，將溫濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)娇刂浦行碾娔X上進行數(shù)據(jù)存儲和分析，完全不需要人工干預，避免了人工查表、操作的失誤，能夠顯示一定時間內的歷史趨勢圖，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，該系統(tǒng)具有超限報警和控制功能，當溫濕度數(shù)據(jù)超過設定標準時，系統(tǒng)能對外發(fā)出報警信息，及時通知管理人員進行處理。該系統(tǒng)產品為許多應用場所環(huán)境的精確監(jiān)控提供了科學依據(jù)，減少了管理者的工作量和繁雜度。若改變其范圍或應用到其他的監(jiān)測環(huán)境中，需要根據(jù)實際情況調整監(jiān)測網絡的規(guī)模，只需適當改變監(jiān)控點位置和增加或減少測量點數(shù)目，實現(xiàn)起來非常方便。

5 結論

本無線網絡系統(tǒng)具有以下有益效果：

1)自組織：ZigBee網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節(jié)點具有自組織功能，當網絡環(huán)境發(fā)生變化或節(jié)點增加和減少時，節(jié)點能夠自動修改路由表，實現(xiàn)整個網絡路由的自適應，同時實現(xiàn)網絡自動重構。

2)無中心：ZigBee自組網傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)中沒有嚴格的控制中心，節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，任何終端節(jié)點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

3)動態(tài)拓撲：ZigBee自組網傳感網絡監(jiān)控系統(tǒng)是一個動態(tài)的網絡，終端節(jié)點可以隨處移動。網絡具有動態(tài)拓撲組織功能，無須進行人工干預。

4)可靠的網絡：終端節(jié)點節(jié)點采用隨機部署，能適應環(huán)境的變化，非常堅固，不易損壞。

5)網絡規(guī)模大：可以靈活地構建起巨大的無線傳感監(jiān)測控制通信網絡。

6)通信距離遠：將ZigBee自組織傳感網絡與GSM/3G網絡結合起來，它無距離限制，改變了傳統(tǒng)無線網絡數(shù)據(jù)傳輸距離的限制。

這種網絡系統(tǒng)也可以廣泛地應用于工業(yè)、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)控、國防軍事、智能交通、醫(yī)療衛(wèi)生、公共安全、食品保鮮、現(xiàn)代物流等領域，可以說是無線傳感網絡技術的一場革命，具有廣闊的市場潛力和美好的應用前景。

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