基于無線傳感網絡的智能移動監控系統設計

(南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044)

(南京信息工程大學信息與控制學院，南京210044)

為解決部分環境監控需要管理人員值守問題，提出了一種基于ZIGBEE與3 G網絡的環境智能移動監控系統。系統采用CC2530主控芯片，將傳感器所采集到的數據通過ZIGBEE無線網絡協議傳輸到PC終端。在3 G網絡環境中，VC編制的上位機與安卓智能移動設備根據TCP/IP通信協議進行數據通訊。實驗結果表明:管理人員通過使用上位機或者安卓智能移動終端都能實時、準確、有效地監控被測環境因子數據。

物聯網;ZIGBEE;CC2530;3 G;安卓

隨著科學技術的不斷發展，無線傳感網絡在家居、工作、工業生產等環境監控的應用越來越廣泛。傳統的環境監控，比如廠區危險場所，人員密集的辦公環境，以及高價值溫室作物種植區域所采用監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控崗位，就會失去對環境的監控。這樣往往會產生很大的安全隱患。國內目前比較常用的監控方式有:1)基于Zigbee與GSM的手機短信監控方法;2)使用internet技術，通過訪問服務器對環境遠程監控。這兩種方法雖然能解決以上問題，但是其人機互動差，硬件投入成本高等缺點，目前使用率還不是很高。

1 關鍵技術

ZIGBEE是一種低數率、低功耗、短距離的雙向無線通訊技術［1］。基于IEEE 802.15.4技術標準，可以工作在歐洲通用的868 MHz、美國通用的915 MHz和全球廣泛使用2.4 GHz 3個頻段上，它們的傳輸速率最高分別可達到20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s，傳輸的作用距離在10 m～100 m。在增加RF功率后，亦可以增加到1 km～3 km［2］，是物聯網經常使用的一種技術，廣泛應用在智能交通、家居環境、工業監控等領域。

3 G是第三代移動通信技術。第三代與前兩代的主要差異是在傳輸速率上的提升，能夠更好地實現無縫漫游、圖像處理、音樂、視頻流以及提供網頁瀏覽、電話會議、電子商務等功能［3］。目前我國主要有TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000 3種制式，它們分別被中國移動、中國聯通、中國電信所采用。

Android是以Linux為基礎的開放源碼的操作系統，廣泛使用于便攜式設備［4］。Android操作系統最初是由Andy Rubin開發，2005年由Google公司收購，并聯合多家公司組成開放手機聯盟開發改良，便逐漸擴展到到平板電腦及其他領域上。因自身的開放性，得到了許多硬件、軟件公司的大力支持。截至目前的數據顯示，僅僅三年時間就成為全球最受歡迎的智能手機平臺［5］。

2 系統總體設計

整個系統由數據采集終端、協調器、PC機以及安卓智能手機組成。本系統組成框圖如圖1所示。其中數據采集節點是基于ZIGBEE無線通信技術組建局域網絡，采用星型結構組網方式對溫室環境中溫度、光照、土壤濕度等環境因子的數據采集以及節點的管理工作，以保證終端數據能夠正確無誤的傳送到協調器上，協調器節點通過RS-232串口與PC機相連，上位機采用的是VC6.0所編寫的監控界面。上位機包括監測和控制兩種功能。監測部分主要是接受到下位機傳輸過來的數據，并能在上位機界面實時顯示;控制部分主要負責控制溫室設備的運行狀態。在智能手機監控方面，PC上位機在3 G無線網絡環境中與智能手機進行網絡連接。智能手機相當于備用設備，當監控人員因為有事需要離開監控崗位時，同樣可以通過智能移動設備來遠程控制上位機來對溫室環境實施監控。

圖1 系統組成框圖

3 系統硬件設計

本系統采集模塊是以TI公司所生產的CC2530芯片為核心。其基本應用電路如圖2所示(包括晶振、復位、天線以及供電電路)，外加一些傳感器、繼電器、電磁閥以及驅動電路組成。CC2530是專門針對IEEE 802.15.4、ZIGBEE和RF4CE上的一個片上系統解決方案［7］。其特點是以很低的成本建立較強的的網絡節點。它融合了高效射頻收發機以及增強型8051 CPU，系統內具有可編程閃存，8 kbyte的RAM和其他強大的支持功能和外設。而且具有多種運行模式，使得它能滿足超低功耗系統的要求。同時CC2530運行模式之間的轉換時間很短，使其進一步降低能源消耗。傳感器選用的是DS18B20數字溫度傳感器、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)。因為CC2530的低功耗特點加上所采用的傳感器工作電壓都在3V到5V之間，所以本系統的電源直接由兩節干電池供電。

圖2 CC2530芯片基本應用電路原理圖

圖3 電阻式土壤濕度傳感器原理圖

4 系統軟件設計

4.1 ZIGBEE協調器程序設計

ZigBee網絡最初是由協調器發動并且建立。協調器首先進行信道掃描(Scan)，采用一個其他網絡沒有使用的空閑信道，同時規定Cluster-Tree的拓撲參數。協調器程序流程如圖4所示。程序開始為系統初始化，包括關閉所有中斷、系統時鐘的初始化、檢測芯片電壓、堆棧的初始化、芯片各硬件的初始化、形成節點MAC地址等一些底層硬件、協議棧的初始化。等初始化完成后，協調器開始建立一個網絡，等待終端節點的加入［6］。等終端節點加入網絡后，協調器就可以接受來自終端節點發送過來的傳感器數據。另一方面協調器還要將來自PC上位機的指令傳達到終端節點。

圖4 協調器程序流程圖

4.2 ZIGBEE終端節點程序設計

終端節點程序流程如圖5所示:主要是在初始化后，嘗試加入協調器建立的網絡(必須與協調器里面的通信信道設置一樣)。當加入網絡成功后，還需完成終端節點的信息注冊。當一切準備完成后，終端節點主要做兩個任務，一個是監控來自協調器的命令信號，根據命令做相應的處理。另一個任務是循環對傳感器所采集的數據進行讀取，并將所采集的數據打包傳給協調器。

圖5 終端節點程序流程圖

4.3 上位機軟件設計

上位機軟件設計功能主要包括串口通信和Socket網絡通信兩部分。串口通信采用的是主從式，一問一答，非問莫答，避免了傳感器節點同時發送數據產生沖突。通信過程均有上位機發起，下位機(協調器)應答。通訊波特率38 400 bit/s，8數據位，1停止位，無效驗位。上位機與下位機的通訊協議格式如表1、表2所示。

表1 上位機通訊協議格式

(1)協議中的數字均是16進制值;

(2)校驗和=命令+數據高位+數據低位;

(3)命令碼為上位機握手命令和上位機上傳命令;

(4)數據均為單字節，校驗和為命令碼與數據區各字節的校驗和，校驗和只取低字節校驗和。高字節舍棄不用;

表2 下位機通訊協議格式

(1)校驗和=命令+編號+數據高位+數據低位;

(2)命令碼為下位機握手命令應答和下位機上傳數據命令，其余同上;

網絡通信部分主要負責在移動3 G網絡中與智能移手機客戶端進行連接通過Socket通信方法，根據TCP/IP通信協議進行數據通訊，相對于 UDP (User Datagram Protocol——無連接的協議)，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協議的初始化、創建服務器套接字、設置網絡響應函數等。其中在Bind函數中將Sercersock設置為異步非阻塞模式，并為它注冊各種網絡異步事件。待網絡響應函數設置好以后，通過OnAccept函數等待連接請求，阻塞直到有客戶端連接，這樣可以節省CPU資源。當結束與客戶端通信之后需要用Closesocket函數釋放相應的資源。

圖6 PC服務器程序流程圖

4.4 智能移動客戶端的軟件設計

安卓智能手機客戶端應用程序是以Java作為編程語言，通過Eclipse來創建和開發的，使用JAVA開發包JDK以及安卓ADT進行軟件開發和調試。客戶端軟件設計分為兩部分:第1部分為用戶界面設計如圖7所示:上區域為連接以及顯示部分，下區域為控制滴灌閥門控制部分。第2部分為:與IP主機進行網絡通信。其過程主要包括初始化、創建SOCKET連接、向服務器發送連接請求、接受數據和發送控制命令、退出程序等。

圖7 智能手機客戶端主界面

5 系統測試

系統進行測試時，分別對兩個相連的溫室環境進行采樣。利用PC上位機(如圖8)可以看出溫室一土壤濕度為73，低于警報值(試驗土壤濕度設定的警戒值為75)的下限，該系統準確的發出了警報。同樣當測試人員遠離監控室，利用移動智能手機(如圖9～圖11所示)，實驗結果顯示智能移動設備應用軟件同樣可以實時準確查看溫室環境數據，然后我們可以按下噴灌一按鈕或者上位機的閥門控制開關，實驗觀察溫室節點一噴灌設備能正常工作。

圖8 PC上位機

圖9 溫室土壤顯示效果圖

圖10 溫室溫度顯示效果圖

圖11 溫室光強顯示效果圖

6 結論

本文提出了基于無線傳感網的智能移動監控系統。分別從終端采集節點、協調器、PC服務器、以及智能移動客戶端來介紹其設計思路。本系統最大的優點是解決了管理人員因為脫離監控崗位而失去對環境進行監控的不便性，有效地減少了人員的工作量，并且本系統使用成本低、硬件數量少、可擴展性強，為環境監控提供了一種新穎的方法。

［1］Drew Gislason.Zigbee Wireless Networking［M］.Boston Newnes，2008:20-44

［2］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2007:2-18.

［3］王銘.倪平.王冬.基于3G網絡的遠程無線綜合監控系統［J］.電子技術應用，2011，37(1):114-116.

［4］郭宏志.Android開發應用詳解［M］.北京:電子工業出版社，2010:2-3.

［5］E2Ecloud工作室.深入淺出Google Android［M］.北京:人民郵電出版社，2009:4-6.

［6］賀玲玲.謝川.基于ZigBee的無線傳感網絡Cluster-Tree算法研究［J］.傳感技術學報，2010，23(9):1303-1307.

［7］侯艷波.秦會斌.胡建人.基于嵌入式和Zigbee技術的節能系統的設計與實現［J］.電子器件，2012，35(6):670-673

［8］龐訓磊.殷保群.奚宏生.一種使用TCP/IP協議實現無線傳感器網絡互連的新型設計［J］.傳感技術學報，2007，20(6):1386 -1390.

基于無線傳感網絡的智能移動監控系統設計*

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 文獻標識碼:A 文章編號:1005－9490(2013)06－0876－05

項目來源:南京信息工程大學科研啟動基金項目(20100307);南京信息工程大學教學改革研究項目(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，南京信息工程大學信息與控制學院碩士研究生，主要研究方向為嵌入式系統、物聯網應用，490045838@qq.com;

錢承山(1971-)，男，漢，山東泰安人，南京信息工程大學信息與控制學院教授，博士，碩士生導師，主要研究方向為非線性系統控制、自動檢測技術、智能終端與物聯網應用等，qianchengshan @163.com。