无线远程监控技术设计与研究.docx
无线远程监控技术设计与研究 科技进步给预防火灾、爆炸等意外事故供应了有力的保障。由于无线传感器网络可以在无人的环境下工作,可以适应更恶劣的环境,所以各国都特别重视无线传感器网络在防火等系统中的应用。西方兴旺国家在无线传感器网络技术在防火等方面的讨论和应用比我国早许多,如Intercorp在新型计算进展规划中指出将侧重于微型传感器网络在森林灭火等领域的讨论。我国对无线传感器网络的讨论起步较晚,技术还不太成熟,所以无线传感器网络在防火系统中的应用还不是很广泛。 1无线远程监控系统 大多数的无线远程监控系统由远程监控中心、无线传输系统、远程监控终端网络三局部组成。远程监控终端网络负责完成对现场信息的采集,由远程监控中心下达治理命令;无线传输系统主要负责采集到的数据和掌握命令的传输;远程掌握中心负责处理收集到的监控信息和发送治理命令给远程监控终端网络。 2ZigBee技术 2.1ZigBee技术简介ZigBee技术是一种短距离、低速率、低功耗的无线通信技术,以IEEE802.15.4为标准,ZigBee协议与IEEE802.15.4标准在物理层、媒体介质访问掌握层是一样的,但是它重新定义了网络层和应用层。ZigBee工作在ISM频段,有2.4GHz频段和868/915MHz频段,传输距离一般在10m到1000m。一台ZigBee设备可以连接多达254个其他ZigBee设备。 2.2设备类型ZigBee网络三种设备类型:协调器节点、路由器节点和终端节点。ZigBee网络中只有一个协调器节点,但是可以有多个路由器节点和终端节点。协调器节点负责搭建网络。 2.3网络拓扑构造ZigBee网络拓扑构造有星型、树形、网状三种构造。星型网络以协调器节点为中心,多个终端节点分布在四周,各节点间彼此并不通信,数据和网络命令都通过协调器节点传输。 2.4网络工作模式ZigBee网络有两种工作模式,分别是信标模式和非信标模式。信标模式下,协调器以肯定的时间间隔向网络中其他节点播送信标帧。非信标模式下,协调器和全部路由器都处于唤醒状态,而只允许终端设备进展定期休眠1。为了降低功耗,终端节点大多数的时候处于休眠状态,在需要采集数据时才会被唤醒。 2.5网络地址安排ZigBee节点地址安排有两类。一类是设备生产固有的64位物理地址。这些地址由IEEE来维护和安排。另一类是由ZigBee协调器节点安排给设备的16位网络地址,该地址也称短地址。 2.6ZigBee路由过程AODV协议是一种按需路由协议,ZigBee网络中就是使用AODV协议建立、维护ZigBee路由表。也就是说只有当网络节点需要建立连接时,节点才播送一个连接恳求。当路由器接收到节点发送的数据包后,假如发送数据包的路由器和数据包要到达的目的节点直接相连,则两者直接传送。假如没有直接相连,路由器就会查询自己已经保存的路由表,看是否有与目的节点地址相符的路由表记录。假如有,则将数据包发送到该路由器上,然后传送到目的节点。假如没有,则将要发送的数据包临时放入缓存中,重新建立传输路径。 2.7ZigBee组网ZigBee组网一般分为两步,首先是网络的建立,然后是设备入网。在ZigBee网络中,协调器是唯一能发起新的网络建立的设备。新网络的建立过程通过NLME_NETWORK_FORMATION.re-quest原语开头。网络层在收到恳求后首先通过NLME_SCAN.re-quest原语要求MAC层对信道能量进展扫描,MAC层通过NLME_SCAN.confirm原语将扫描结果报告给网络层。假如不能扫描到空闲信道则意味着无法完成新网络建立的任务;假如扫描到空闲信道,就会安排一个PANID和16位短地址给协调器。然后网络层通过MLME_SET.request原语和MAC层进展相关参数设置,设置完成后,网络层利用MLME_START.request原语调用程序开头建网1。节点设备进入网络的方式有两种,即子节点恳求入网和父节点邀请其参加这两种。当新的设备节点参加网络后,节点之间对应的父子关系就会产生。新设备为子节点,则另一设备为父节点2。ZigBee网络中,只有协调器或路由器节点才能承受一个参加恳求,而终端节点不行以。 3GPRS技术 3.1GPRS概述GPRS既可以传输语音也可传输数据,只是两者采纳的方式不同而已。传输语音用TDMA方式而传输数据用分组方式。另外,GPRS技术还具有实时在线、按流量计算等优点。GPRS是在GSM根底上增加分组交换模块而实现的无线通信网络,它还可以借助GSM网络,实现广域无线连接。只要在有GSM网络的地方,就可以使用GPRS技术3。 3.2GPRS网络构造GPRS实际上是在GSM网络构造的根底上增加SGSN、GGSN等功能实体而形成的网络。将分组交换技术引入到GPRS网络中，从而使得GSM网络可以实现对数据效劳的支持。GPRS网络系统构造如图1所示。 3.3GPRS组网方式GPRS组网方式有三种。这三种组网方式分别是:(1)中心采纳INTELNET公网连接固定IP的方式。这种方式组网前必需向运营商申请一个固定的IP地址。该种方法的缺点是费用高,优点是建立通路时间短、数据收发快。(2)中心采纳APN专线接入+内网固定IP的方式。这种方式中心通过APN专线接入GPRS网络,路由之间利用内网IP地址进展连接。此方法的优点是稳定性强、安全性高,本钱低。(3)中心采纳APN专线+GPRSMODEM方式。这种方式组网前需要开通APN专网业务,通过MODEM绑定内网固定IP。此方法的优点是无须进展DNS解析,稳定性强,性价比合理。在实际应用中,我们需要依据不同的应用状况选择适宜的组网方式。 4ZigBee+GPRS网关设计 在传统的无线传感器网络中,节点由于自身构造的限制,其计算力量和带宽等都特别有限,并且节点间大都采纳点对点的通信方式,因此整个网络的整体性能普遍较低。网关是连接ZigBee网络和GPRS网络的纽带,网关主要负责ZigBee网络和GPRS网络之间数据传输和协议转换。在ZigBee网络采集到数据后,网关将通过GPRS网络将数据传给远程监控中心,同时监控中心也可以通过网关发送掌握命令掌握到ZigBee网络节点。网关节点中,数据存储容量和数据处理力量都比一般节点要强许多。为了增加无线传感器网络的强健性,ZigBee网络节点将采集到的数据融合后再传送给网关,然后网关使用GPRS网络将融合后的数据转发给远程监控中心,这样就实现了ZigBee网络和GPRS网络之间的协议转换和数据传输。网关使近距离通信和远距离通信连接起来,将远距离监控变成可能。 4.1网关硬件设计网关硬件设计时,采纳Chipcon公司的CC2530芯片实现近距离通信功能。CC2530模块本身已经固化了ZigBee协议栈和内置8051单片机内核,只需要进展简洁电路扩展就能够实现射频收发。另外采纳西姆通公司的SIM900B实现远距离通信功能。通信时,网关与SIM900B模块之间使用RS232串口传递掌握指令和数据。这些掌握指令能够掌握SIM900B模块登陆网关的过程,登录胜利后,网关便能够传送数据给监控中心了。利用CC2530模块、CPRS模块进展网关硬件开发时,由于CC2530有内置的CPU,使得硬件开发起来很简单。硬件设计的关键是解决ZigBee网络的协调器模块和GPRS模块之间如何通信的问题。在这里直接使用RS232端口进展两者之间的连接和通信。设计时可以很简单的把ZigBee协调器节点和GPRS模块组成一个模块,此外还需要进展一些电源和接口的设计。网关节点一般由射频收发模块、单片机、存储模块、GPRS通信模块组成,也可依据实际状况需要,相应的增加其他模块(如显示模块等)。网关构造图如图2所示。 4.2网关软件设计网关是连接ZigBee网络和GPRS网络的桥梁。网关不但要接收ZigBee网络采集到的数据和监控中心发出的掌握命令,同时还要将传感器采集到的数据上传到监控中心。因此在网关上应当具有以下模块:GPRS和以太网交互模块;串口读写模块;命令映射模块;协议转换模块;日志治理和配置模块;数据上传和命令5。系统加电以后,首先进展应用程序初始化。初始化完毕后对网络进展监听,假如有外部大事中断产生,则依据推断响应类型的结果进展相应的数据处理。其工作流程图如图3所示。依据前面的硬件设计,网关程序设计主要有协调器节点程序设计和MSP430F149的程序设计。(1)协调器节点程序设计。协调器节点有两个作用:进展组网;连接ZigBee网络与MSP430F149,使两者之间能够相互通信。(2)基于MSP430F149的程序设计。网关设计中,MSP430F149能够使ZigBee网络和远程监控中心的后台效劳器相连,这就实现了远程监控中心治理员对远端ZigBee网络的治理。治理员在监控中心发送掌握命令即可把握ZigBee网络的实时运行状态。MSP430F149通过UART0与SIM900B通信,启动时先要初始化SIM900B模块并与互联网建立连接。 5结语 本文将短距离高速率传输的ZigBee网络和远距离低速率传输的GPRS网络结合起来,充分发挥两者的优势,使得在恶劣简单环境下实现远距离无人监控成为可能或现实,依据应用场景,在设计时,对各个局部中所涉及到的详细技术要点采纳各个击破的思想来一一实现。本文所提出的设计可能还有缺乏之处,还有待改良。 ：吕剑锐 魏长军 单位：沈阳理工大学
