基于无线传感网络的智能移动监控系统设计

2013-09-27南京信息工程大学信息与控制学院南京210044

电子器件 2013年6期

(南京信息工程大学信息与控制学院，南京210044)

为解决部分环境监控需要管理人员值守问题，提出了一种基于ZIGBEE与3 G网络的环境智能移动监控系统。系统采用CC2530主控芯片，将传感器所采集到的数据通过ZIGBEE无线网络协议传输到PC终端。在3 G网络环境中，VC编制的上位机与安卓智能移动设备根据TCP/IP通信协议进行数据通讯。实验结果表明:管理人员通过使用上位机或者安卓智能移动终端都能实时、准确、有效地监控被测环境因子数据。

物联网;ZIGBEE;CC2530;3 G;安卓

随着科学技术的不断发展，无线传感网络在家居、工作、工业生产等环境监控的应用越来越广泛。传统的环境监控，比如厂区危险场所，人员密集的办公环境，以及高价值温室作物种植区域所采用监控方式基本上都需要管理员定期值守，管理人员一旦离开监控岗位，就会失去对环境的监控。这样往往会产生很大的安全隐患。国内目前比较常用的监控方式有:1)基于Zigbee与GSM的手机短信监控方法;2)使用internet技术，通过访问服务器对环境远程监控。这两种方法虽然能解决以上问题，但是其人机互动差，硬件投入成本高等缺点，目前使用率还不是很高。

1 关键技术

ZIGBEE是一种低数率、低功耗、短距离的双向无线通讯技术［1］。基于IEEE 802.15.4技术标准，可以工作在欧洲通用的868 MHz、美国通用的915 MHz和全球广泛使用2.4 GHz 3个频段上，它们的传输速率最高分别可达到20 kbit/s、40 kbit/s和250 kbit/s，传输的作用距离在10 m～100 m。在增加RF功率后，亦可以增加到1 km～3 km［2］，是物联网经常使用的一种技术，广泛应用在智能交通、家居环境、工业监控等领域。

3 G是第三代移动通信技术。第三代与前两代的主要差异是在传输速率上的提升，能够更好地实现无缝漫游、图像处理、音乐、视频流以及提供网页浏览、电话会议、电子商务等功能［3］。目前我国主要有TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000 3种制式，它们分别被中国移动、中国联通、中国电信所采用。

Android是以Linux为基础的开放源码的操作系统，广泛使用于便携式设备［4］。Android操作系统最初是由Andy Rubin开发，2005年由Google公司收购，并联合多家公司组成开放手机联盟开发改良，便逐渐扩展到到平板电脑及其他领域上。因自身的开放性，得到了许多硬件、软件公司的大力支持。截至目前的数据显示，仅仅三年时间就成为全球最受欢迎的智能手机平台［5］。

2 系统总体设计

整个系统由数据采集终端、协调器、PC机以及安卓智能手机组成。本系统组成框图如图1所示。其中数据采集节点是基于ZIGBEE无线通信技术组建局域网络，采用星型结构组网方式对温室环境中温度、光照、土壤湿度等环境因子的数据采集以及节点的管理工作，以保证终端数据能够正确无误的传送到协调器上，协调器节点通过RS-232串口与PC机相连，上位机采用的是VC6.0所编写的监控界面。上位机包括监测和控制两种功能。监测部分主要是接受到下位机传输过来的数据，并能在上位机界面实时显示;控制部分主要负责控制温室设备的运行状态。在智能手机监控方面，PC上位机在3 G无线网络环境中与智能手机进行网络连接。智能手机相当于备用设备，当监控人员因为有事需要离开监控岗位时，同样可以通过智能移动设备来远程控制上位机来对温室环境实施监控。

图1 系统组成框图

3 系统硬件设计

本系统采集模块是以TI公司所生产的CC2530芯片为核心。其基本应用电路如图2所示(包括晶振、复位、天线以及供电电路)，外加一些传感器、继电器、电磁阀以及驱动电路组成。CC2530是专门针对IEEE 802.15.4、ZIGBEE和RF4CE上的一个片上系统解决方案［7］。其特点是以很低的成本建立较强的的网络节点。它融合了高效射频收发机以及增强型8051 CPU，系统内具有可编程闪存，8 kbyte的RAM和其他强大的支持功能和外设。而且具有多种运行模式，使得它能满足超低功耗系统的要求。同时CC2530运行模式之间的转换时间很短，使其进一步降低能源消耗。传感器选用的是DS18B20数字温度传感器、5516型光敏电阻传感器、以及以锡为电极涂层的电阻式土壤湿度传感器(电路原理图如图3所示)。因为CC2530的低功耗特点加上所采用的传感器工作电压都在3V到5V之间，所以本系统的电源直接由两节干电池供电。

图2 CC2530芯片基本应用电路原理图

图3 电阻式土壤湿度传感器原理图

4 系统软件设计

4.1 ZIGBEE协调器程序设计

ZigBee网络最初是由协调器发动并且建立。协调器首先进行信道扫描(Scan)，采用一个其他网络没有使用的空闲信道，同时规定Cluster-Tree的拓扑参数。协调器程序流程如图4所示。程序开始为系统初始化，包括关闭所有中断、系统时钟的初始化、检测芯片电压、堆栈的初始化、芯片各硬件的初始化、形成节点MAC地址等一些底层硬件、协议栈的初始化。等初始化完成后，协调器开始建立一个网络，等待终端节点的加入［6］。等终端节点加入网络后，协调器就可以接受来自终端节点发送过来的传感器数据。另一方面协调器还要将来自PC上位机的指令传达到终端节点。

图4 协调器程序流程图

4.2 ZIGBEE终端节点程序设计

终端节点程序流程如图5所示:主要是在初始化后，尝试加入协调器建立的网络(必须与协调器里面的通信信道设置一样)。当加入网络成功后，还需完成终端节点的信息注册。当一切准备完成后，终端节点主要做两个任务，一个是监控来自协调器的命令信号，根据命令做相应的处理。另一个任务是循环对传感器所采集的数据进行读取，并将所采集的数据打包传给协调器。

图5 终端节点程序流程图

4.3 上位机软件设计

上位机软件设计功能主要包括串口通信和Socket网络通信两部分。串口通信采用的是主从式，一问一答，非问莫答，避免了传感器节点同时发送数据产生冲突。通信过程均有上位机发起，下位机(协调器)应答。通讯波特率38 400 bit/s，8数据位，1停止位，无效验位。上位机与下位机的通讯协议格式如表1、表2所示。

表1 上位机通讯协议格式

(1)协议中的数字均是16进制值;

(2)校验和=命令+数据高位+数据低位;

(3)命令码为上位机握手命令和上位机上传命令;

(4)数据均为单字节，校验和为命令码与数据区各字节的校验和，校验和只取低字节校验和。高字节舍弃不用;

表2 下位机通讯协议格式

(1)校验和=命令+编号+数据高位+数据低位;

(2)命令码为下位机握手命令应答和下位机上传数据命令，其余同上;

网络通信部分主要负责在移动3 G网络中与智能移手机客户端进行连接通过Socket通信方法，根据TCP/IP通信协议进行数据通讯，相对于 UDP (User Datagram Protocol——无连接的协议)，TCP传输速率虽然不及UDP，但是其传输过程比UDP更加安全可靠［8］。其过程(程序流程如图6所示)主要包括TCP协议的初始化、创建服务器套接字、设置网络响应函数等。其中在Bind函数中将Sercersock设置为异步非阻塞模式，并为它注册各种网络异步事件。待网络响应函数设置好以后，通过OnAccept函数等待连接请求，阻塞直到有客户端连接，这样可以节省CPU资源。当结束与客户端通信之后需要用Closesocket函数释放相应的资源。

图6 PC服务器程序流程图

4.4 智能移动客户端的软件设计

安卓智能手机客户端应用程序是以Java作为编程语言，通过Eclipse来创建和开发的，使用JAVA开发包JDK以及安卓ADT进行软件开发和调试。客户端软件设计分为两部分:第1部分为用户界面设计如图7所示:上区域为连接以及显示部分，下区域为控制滴灌阀门控制部分。第2部分为:与IP主机进行网络通信。其过程主要包括初始化、创建SOCKET连接、向服务器发送连接请求、接受数据和发送控制命令、退出程序等。

图7 智能手机客户端主界面

5 系统测试

系统进行测试时，分别对两个相连的温室环境进行采样。利用PC上位机(如图8)可以看出温室一土壤湿度为73，低于警报值(试验土壤湿度设定的警戒值为75)的下限，该系统准确的发出了警报。同样当测试人员远离监控室，利用移动智能手机(如图9～图11所示)，实验结果显示智能移动设备应用软件同样可以实时准确查看温室环境数据，然后我们可以按下喷灌一按钮或者上位机的阀门控制开关，实验观察温室节点一喷灌设备能正常工作。

图8 PC上位机

图9 温室土壤显示效果图

图10 温室温度显示效果图

图11 温室光强显示效果图

6 结论

本文提出了基于无线传感网的智能移动监控系统。分别从终端采集节点、协调器、PC服务器、以及智能移动客户端来介绍其设计思路。本系统最大的优点是解决了管理人员因为脱离监控岗位而失去对环境进行监控的不便性，有效地减少了人员的工作量，并且本系统使用成本低、硬件数量少、可扩展性强，为环境监控提供了一种新颖的方法。

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

［2］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007:2-18.

［3］王铭.倪平.王冬.基于3G网络的远程无线综合监控系统［J］.电子技术应用，2011，37(1):114-116.

［4］郭宏志.Android开发应用详解［M］.北京:电子工业出版社，2010:2-3.

［5］E2Ecloud工作室.深入浅出Google Android［M］.北京:人民邮电出版社，2009:4-6.

［6］贺玲玲.谢川.基于ZigBee的无线传感网络Cluster-Tree算法研究［J］.传感技术学报，2010，23(9):1303-1307.

［7］侯艳波.秦会斌.胡建人.基于嵌入式和Zigbee技术的节能系统的设计与实现［J］.电子器件，2012，35(6):670-673

［8］庞训磊.殷保群.奚宏生.一种使用TCP/IP协议实现无线传感器网络互连的新型设计［J］.传感技术学报，2007，20(6):1386 -1390.

基于无线传感网络的智能移动监控系统设计*

王志伟，钱承山*，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 文献标识码:A 文章编号:1005－9490(2013)06－0876－05

项目来源:南京信息工程大学科研启动基金项目(20100307);南京信息工程大学教学改革研究项目(N1885012014，11JY014)

2013-03-26修改日期:2013-04-10

EEACC:6150P

王志伟(1988-)，男，汉，江苏盐城人，南京信息工程大学信息与控制学院硕士研究生，主要研究方向为嵌入式系统、物联网应用，490045838@qq.com;