無線傳感網與通用分組無線業務的監控系統設計

馮陳偉

廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024

無線傳感網與通用分組無線業務的監控系統設計

馮陳偉

廈門理工學院光電與通信工程學院，福建 廈門 361024

隨著我國經濟與社會的快速發展，家居環境與安全引起廣大人民群眾的廣泛關注.為了解決目前家居監控系統的不足，設計一種基于無線傳感網（WSN）和通用分組無線業務（GPRS）的智能家居遠程監控系統.該系統采用TI公司的CC2530芯片及相應傳感器構建WSN家庭局域網，將采集到的光照強度、溫濕度、煙霧報警等信息，通過GPRS網絡與因特網實現數據的遠程傳輸，最后在上位機進行監控.通過上位機可以查看當前環境狀態，并保存歷史數據，同時還可以進行自動報警.給出系統硬件原理及軟件實現方法，包括節點設計、網絡組建流程、數據傳輸功能、上位機軟件設計等.實驗結果表明該系統性能穩定、容易擴展、上位機界面清晰友好.

無線傳感網；ZigBee技術；通用分組無線業務技術；遠程監控；CC2530芯片

0 引言

隨著我國國民經濟與社會的迅猛發展，環境與安全問題越來越被關注.傳統的監控系統以有線傳輸方式為主，但隨著WSN和因特網技術的發展，越來越多的人將智能家居監控信息通過網絡傳送到家庭之外的遠程終端監控系統上［1］.因此，利用WSN和GPRS網絡，并結合上位機設計出了一套完整的智能家居無線監控系統.該系統利用ZigBee技術構建了家庭WSN網絡，完成對家居環境各種檢測信號的收集，包括光照強度、溫濕度、煙霧報警等信息，并且通過GPRS DTU將現場監控數據傳送至遠程監控端，以實現對家居環境與安全的實時監控.實驗測試結果說明，系統性能穩定、能耗小、成本低、容易擴展，有較好的實際應用前景.

1 硬件設計

基于ZigBee技術組成的家居系統屬于一種家庭WSN網絡，包括協調器和終端節點、GPRS DTU、上位機等［2］，系統設計如圖1所示.連接有傳感器的ZigBee終端節點分布在需要監測不同區域，用來收集環境信息.協調器節點通過與終端節點建立的WSN網絡，收集來自各終端節點的數據后，通過RS232接口發送至GPRS DTU.之后，GPRS DTU將從協調器接收到的數據封裝成幀，經GPRS與因特網傳輸至遠程上位機，在上位機進行數據管理與監控.

圖1 系統總體設計圖Fig.1 Overall system design

WSN網絡中的節點主要是協調器節點和終端節點［3］.協調器節點的工作主要是創建WSN網絡、收集終端節點數據、通過GPRS DTU發送到因特網.協調器節點和終端節點具有同樣的硬件結構，它們的功能是利用軟件來實現和區分的.

1.1 協調器硬件設計

協調器主要工作是建立WSN網絡，接受其他節點的加入，并收集所有節點的數據.本設計中的節點均采用TI公司的CC2530模塊，它工作在2．4 GHz頻段，模塊集成有射頻、8051內核、A/D變換、定時器等，因此以CC2530為核心的硬件電路只需少量外圍元器件配合就能實現收發功能［4］，CC2530典型應用電路如圖2所示.此外，協調器通過RS232與GPRS DTU連接，利用AT指令進行控制，通過GPRS網絡接入因特網，將WSN網絡的監控信息以數據包方式傳送到遠程監控端.

圖2 CC2530應用電路Fig.2 CC2530 applied circuit

1.2 終端節點硬件設計

終端節點主要由以下幾個模塊構成的：傳感器、處理器、通信、電源.由于CC2530芯片集成了處理器和通信模塊從而簡化外圍電路，因此終端節點的設計主要就是傳感器模塊的設計［5］.本設計使用三種常見的傳感器，實現對室內光照強度、溫濕度及煙霧信息的檢測.

1.2.1 光照檢測電路光照檢測電路的作用是判斷亮度，主要是通過檢測光敏電阻輸出信號的強度來實現的.按照圖3所示的電路圖連接硬件后，要對該電路進行校準.光敏電阻的靈敏度可以通過調節電位器R1進行改變，即設置一個亮度門限值，當亮度較低時發出告警.

圖3 光敏傳感器電路Fig.3 Light sensors circuit

1.2.2 溫濕度檢測電路溫濕度檢測電路的作用是判斷環境的溫濕度情況，主要器件是DHT11數字溫濕度傳感器.它是一款有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，單線串行接口，利用一個輸出接口就可以同時對溫濕度進行測量.基于DHT11的溫濕度檢測電路如圖4所示，需要注意的是空腳在接線時須懸空.

圖4 溫濕度傳感器電路Fig.4 Temperature and humidity sensor circuit

1.2.3 煙霧檢測電路煙霧檢測電路利用MQ－2煙霧傳感器檢測易燃氣體以及煙霧等情況.根據實際環境，需要對該電路進行校準.方法如下：將煙霧檢測電路置于純凈環境，預熱約兩分鐘后，調節電位器R4改變其靈敏度，使4～6腳電壓值在0.3～1V之間.經實驗測得校準后R4約為2.5 kΩ.硬件電路如圖5所示.

圖5 煙霧傳感器電路Fig.5 Smoke sensor circuit

1.3 GPRS無線網絡模塊設計

由于WSN是短距離通信網絡，當用戶離開覆蓋網絡時就無法獲取數據.因此，家庭網絡必須與外界網絡進行連接才能實現遠程監控，從而方便地獲取家居狀態信息.在本系統中選用LQ1000 GPRS DTU，通過RS232與ZigBee協調器連接，從而實現遠程的數據傳輸.

LQ1000 GPRS DTU是一種實現串口設備數據通過無線網絡透傳到遠程上位機軟件的設備，內置了工業級GPRS無線模塊，提供RS232接口，可對波特率、數據位、校驗位等信息進行設置.內部集成了TCP／IP協議棧，設置好數據中心的IP地址、端口號后，就可以將串口數據透明地進行傳輸，即將串口的原始數據轉換成TCP／IP數據包，經過GPRS網絡傳輸至因特網，進而傳送到監控器上［6］.

1.4 電源模塊

電源模塊主要為網絡中的協調器和終端節點提供電源，它們需要2～3．6 V的直流電壓.因此，終端節點可以采用兩節AA電池供電，協調器工作頻率高，能量消耗大，因此協調器可采用鋰電池供電.

2 系統軟件設計

2.1 協調器軟件設計

ZigBee節點軟件是基于TI公司的Z－Stack協議棧，在IAR開發環境下使用C語言進行編譯和調試，從而實現對協調器、終端節點的控制.

硬件模塊上電后程序進行相應的初始化，協調器選擇一個適當的信道創建網絡，其他終端節點通過主動掃描發現并加入已創建的網絡.成功組網后，協調器就可以開始收集WSN網絡中所有終端節點發送的數據，接著利用AT指令完成GPRS DTU設置和連接網絡，經過GPRS網絡和因特網，將數據傳輸至上位機［7］.協調器節點的控制流程如圖6所示.

圖6 協調器功能流程Fig.6 Coordinator function flowchart

2.2 終端節點軟件設計

終端節點初始化后，通過主動掃描發現并加入網絡.得到協調器許可后，終端節點便啟動定時，同時進入待機模式，這樣做主要考慮到家居環境變化緩慢，為了減少節點能量消耗，因此將節點設置為定時采集發送方式，當節點發送數據結束后再次進入待機模式［8］.終端節點控制流程如圖7所示.

圖7 終端節點功能流程Fig.7 Terminal function flowchart

2.3 上位機軟件設計

上位機數據接收程序采用基于Socket技術的VB 6．0進行編寫，通過監聽服務器端口接受連接請求，將接收數據幀解析后進行處理.上位機顯示信息包括光照強度、溫濕度、煙霧報警等.通過上位機中的節點空間分布圖，可以清楚了解各節點的位置及當前環境信息.節點圖標形象地標記了節點的名稱及位置，當出現報警信息時，主界面以及空間分布圖界面會彈出警報圖標，從而提示用戶［9］.同時軟件還具有存儲功能，可以通過查看歷史數據觀測家居環境變化.上位機軟件界面如圖8所示，此時顯示出家居環境的各種狀態信息，并告警存在安全隱患．根據以上要求，上位機軟件功能具體如下．

2.3.1 數據監測各傳感器的數據（光照強度、溫濕度、煙霧報警等信息）能夠實時顯示在監測端的PC屏幕上．數據實時監測，并根據所設置的時間記錄全部數據，保存有各傳感器節點的狀態、報警紀錄等信息．

2.3.2 報警本系統有自動報警功能，方便監測端及時發現火災隱患等異常情況．

2.3.3 數據存儲采用通用的Access數據庫，將實時數據按要求存入數據庫中，用戶可從數據庫中查詢歷史數據，并可以根據需要進行數據備份［10］．

圖8 上位機程序界面Fig.8 PC program interface

3 實驗

為測試系統的數據傳輸能力以及穩定性，通過傳輸一個8字符長度的數據進行性能的檢測．由于系統中GPRS網絡的傳輸性能取決于運營商，因此測試主要以協調器與終端節點之間的傳輸條件為前提進行實驗．經過多次實驗得出相關測試結果，如表1和表2所示．

通過一般室內環境進行測試，分析數據后可以發現，當協調器與終端節點在無障礙物的近距離范圍內（12 m），數據沒有丟失，且準確率高，更新速度快，但是在20 m以上出現了較大的數據丟失情況；當存在門或墻等障礙物時，在3 m范圍以內均可以正常通信，且準確率高，更新速度快．因此，在一般的家居環境下，將協調器放置于終端節點之間的適當位置，可以實現無線采集環境信息的功能，能夠滿足一般家居環境的監控需求，滿足工程設計要求．

表1 無障礙物測試結果Table 1 Testing results without obstacle

表2 有障礙物測試結果Table 2 Testing results with obstacle

4 結語

利用WSN、GPRS等技術的優勢，設計基于WSN與GPRS技術的智能家居監控系統.該系統利用WSN的無線特性進行家居信息的采集，通過GPRS將WSN網絡接入因特網，數據信息通過遠程端上位機軟件程序進行顯示與存儲，實現監控數據的遠程傳輸.該系統工作穩定、能耗小、成本低、易擴展，可廣泛應用在其他類似的監控場合.

致謝

衷心感謝福建省教育廳及廈門理工學院提供的資金資助，以及光電與通信工程學院所有老師的支持！

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Design of monitoring system based on wireless sensor network and general packet radio service

FENG Chen－wei
School of Opto－electronic and Communication Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China

With the quick development of our country’s economy and society，the home environment and security attracts wide attention of the masses．To settle the current lack of home monitoring system，a smart home remote monitoring system based on wireless sensor network（WSN）and general packet radio service（GPRS）was designed．The system uses CC2530 chip produced by TI and corresponding sensors to build the WSN home area network，then the data collected such as light intensity，temperature，humidity，smoke alarms are sent remotely through GPRS and Internet network，monitored by PC finally．The current state of the environment can be viewed by PC and then be preserved；meanwhile automatic alarm also can be achieved．The principle of the system hardware and the implementation methods of the software are introduced，including the node designing，networking forming process，data transmission capabilities，PC software design．The actual test results show that the system is reliable and easy to expand with friendly software interface．

wireless sensor network；ZigBee technology；general packet radio service technology；remote monitoring；CC2530 chip

TP391

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2015.07.014

1674－2869（2015）07－0065－06

本文編輯：陳小平

2015－06－19

福建省中青年教師教育科研項目A類（JA14233）；國家自然科學基金（61202013）

馮陳偉（1981－），男，福建寧德人，講師，博士研究生．研究方向：無線傳感網．