无线传感网与通用分组无线业务的监控系统设计

冯陈伟

厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024

无线传感网与通用分组无线业务的监控系统设计

冯陈伟

厦门理工学院光电与通信工程学院，福建 厦门 361024

随着我国经济与社会的快速发展，家居环境与安全引起广大人民群众的广泛关注.为了解决目前家居监控系统的不足，设计一种基于无线传感网（WSN）和通用分组无线业务（GPRS）的智能家居远程监控系统.该系统采用TI公司的CC2530芯片及相应传感器构建WSN家庭局域网，将采集到的光照强度、温湿度、烟雾报警等信息，通过GPRS网络与因特网实现数据的远程传输，最后在上位机进行监控.通过上位机可以查看当前环境状态，并保存历史数据，同时还可以进行自动报警.给出系统硬件原理及软件实现方法，包括节点设计、网络组建流程、数据传输功能、上位机软件设计等.实验结果表明该系统性能稳定、容易扩展、上位机界面清晰友好.

无线传感网；ZigBee技术；通用分组无线业务技术；远程监控；CC2530芯片

0 引言

随着我国国民经济与社会的迅猛发展，环境与安全问题越来越被关注.传统的监控系统以有线传输方式为主，但随着WSN和因特网技术的发展，越来越多的人将智能家居监控信息通过网络传送到家庭之外的远程终端监控系统上［1］.因此，利用WSN和GPRS网络，并结合上位机设计出了一套完整的智能家居无线监控系统.该系统利用ZigBee技术构建了家庭WSN网络，完成对家居环境各种检测信号的收集，包括光照强度、温湿度、烟雾报警等信息，并且通过GPRS DTU将现场监控数据传送至远程监控端，以实现对家居环境与安全的实时监控.实验测试结果说明，系统性能稳定、能耗小、成本低、容易扩展，有较好的实际应用前景.

1 硬件设计

基于ZigBee技术组成的家居系统属于一种家庭WSN网络，包括协调器和终端节点、GPRS DTU、上位机等［2］，系统设计如图1所示.连接有传感器的ZigBee终端节点分布在需要监测不同区域，用来收集环境信息.协调器节点通过与终端节点建立的WSN网络，收集来自各终端节点的数据后，通过RS232接口发送至GPRS DTU.之后，GPRS DTU将从协调器接收到的数据封装成帧，经GPRS与因特网传输至远程上位机，在上位机进行数据管理与监控.

图1 系统总体设计图Fig.1 Overall system design

WSN网络中的节点主要是协调器节点和终端节点［3］.协调器节点的工作主要是创建WSN网络、收集终端节点数据、通过GPRS DTU发送到因特网.协调器节点和终端节点具有同样的硬件结构，它们的功能是利用软件来实现和区分的.

1.1 协调器硬件设计

协调器主要工作是建立WSN网络，接受其他节点的加入，并收集所有节点的数据.本设计中的节点均采用TI公司的CC2530模块，它工作在2．4 GHz频段，模块集成有射频、8051内核、A/D变换、定时器等，因此以CC2530为核心的硬件电路只需少量外围元器件配合就能实现收发功能［4］，CC2530典型应用电路如图2所示.此外，协调器通过RS232与GPRS DTU连接，利用AT指令进行控制，通过GPRS网络接入因特网，将WSN网络的监控信息以数据包方式传送到远程监控端.

图2 CC2530应用电路Fig.2 CC2530 applied circuit

1.2 终端节点硬件设计

终端节点主要由以下几个模块构成的：传感器、处理器、通信、电源.由于CC2530芯片集成了处理器和通信模块从而简化外围电路，因此终端节点的设计主要就是传感器模块的设计［5］.本设计使用三种常见的传感器，实现对室内光照强度、温湿度及烟雾信息的检测.

1.2.1 光照检测电路光照检测电路的作用是判断亮度，主要是通过检测光敏电阻输出信号的强度来实现的.按照图3所示的电路图连接硬件后，要对该电路进行校准.光敏电阻的灵敏度可以通过调节电位器R1进行改变，即设置一个亮度门限值，当亮度较低时发出告警.

图3 光敏传感器电路Fig.3 Light sensors circuit

1.2.2 温湿度检测电路温湿度检测电路的作用是判断环境的温湿度情况，主要器件是DHT11数字温湿度传感器.它是一款有已校准数字信号输出的温湿度传感器，单线串行接口，利用一个输出接口就可以同时对温湿度进行测量.基于DHT11的温湿度检测电路如图4所示，需要注意的是空脚在接线时须悬空.

图4 温湿度传感器电路Fig.4 Temperature and humidity sensor circuit

1.2.3 烟雾检测电路烟雾检测电路利用MQ－2烟雾传感器检测易燃气体以及烟雾等情况.根据实际环境，需要对该电路进行校准.方法如下：将烟雾检测电路置于纯净环境，预热约两分钟后，调节电位器R4改变其灵敏度，使4～6脚电压值在0.3～1V之间.经实验测得校准后R4约为2.5 kΩ.硬件电路如图5所示.

图5 烟雾传感器电路Fig.5 Smoke sensor circuit

1.3 GPRS无线网络模块设计

由于WSN是短距离通信网络，当用户离开覆盖网络时就无法获取数据.因此，家庭网络必须与外界网络进行连接才能实现远程监控，从而方便地获取家居状态信息.在本系统中选用LQ1000 GPRS DTU，通过RS232与ZigBee协调器连接，从而实现远程的数据传输.

LQ1000 GPRS DTU是一种实现串口设备数据通过无线网络透传到远程上位机软件的设备，内置了工业级GPRS无线模块，提供RS232接口，可对波特率、数据位、校验位等信息进行设置.内部集成了TCP／IP协议栈，设置好数据中心的IP地址、端口号后，就可以将串口数据透明地进行传输，即将串口的原始数据转换成TCP／IP数据包，经过GPRS网络传输至因特网，进而传送到监控器上［6］.

1.4 电源模块

电源模块主要为网络中的协调器和终端节点提供电源，它们需要2～3．6 V的直流电压.因此，终端节点可以采用两节AA电池供电，协调器工作频率高，能量消耗大，因此协调器可采用锂电池供电.

2 系统软件设计

2.1 协调器软件设计

ZigBee节点软件是基于TI公司的Z－Stack协议栈，在IAR开发环境下使用C语言进行编译和调试，从而实现对协调器、终端节点的控制.

硬件模块上电后程序进行相应的初始化，协调器选择一个适当的信道创建网络，其他终端节点通过主动扫描发现并加入已创建的网络.成功组网后，协调器就可以开始收集WSN网络中所有终端节点发送的数据，接着利用AT指令完成GPRS DTU设置和连接网络，经过GPRS网络和因特网，将数据传输至上位机［7］.协调器节点的控制流程如图6所示.

图6 协调器功能流程Fig.6 Coordinator function flowchart

2.2 终端节点软件设计

终端节点初始化后，通过主动扫描发现并加入网络.得到协调器许可后，终端节点便启动定时，同时进入待机模式，这样做主要考虑到家居环境变化缓慢，为了减少节点能量消耗，因此将节点设置为定时采集发送方式，当节点发送数据结束后再次进入待机模式［8］.终端节点控制流程如图7所示.

图7 终端节点功能流程Fig.7 Terminal function flowchart

2.3 上位机软件设计

上位机数据接收程序采用基于Socket技术的VB 6．0进行编写，通过监听服务器端口接受连接请求，将接收数据帧解析后进行处理.上位机显示信息包括光照强度、温湿度、烟雾报警等.通过上位机中的节点空间分布图，可以清楚了解各节点的位置及当前环境信息.节点图标形象地标记了节点的名称及位置，当出现报警信息时，主界面以及空间分布图界面会弹出警报图标，从而提示用户［9］.同时软件还具有存储功能，可以通过查看历史数据观测家居环境变化.上位机软件界面如图8所示，此时显示出家居环境的各种状态信息，并告警存在安全隐患．根据以上要求，上位机软件功能具体如下．

2.3.1 数据监测各传感器的数据（光照强度、温湿度、烟雾报警等信息）能够实时显示在监测端的PC屏幕上．数据实时监测，并根据所设置的时间记录全部数据，保存有各传感器节点的状态、报警纪录等信息．

2.3.2 报警本系统有自动报警功能，方便监测端及时发现火灾隐患等异常情况．

2.3.3 数据存储采用通用的Access数据库，将实时数据按要求存入数据库中，用户可从数据库中查询历史数据，并可以根据需要进行数据备份［10］．

图8 上位机程序界面Fig.8 PC program interface

3 实验

为测试系统的数据传输能力以及稳定性，通过传输一个8字符长度的数据进行性能的检测．由于系统中GPRS网络的传输性能取决于运营商，因此测试主要以协调器与终端节点之间的传输条件为前提进行实验．经过多次实验得出相关测试结果，如表1和表2所示．

通过一般室内环境进行测试，分析数据后可以发现，当协调器与终端节点在无障碍物的近距离范围内（12 m），数据没有丢失，且准确率高，更新速度快，但是在20 m以上出现了较大的数据丢失情况；当存在门或墙等障碍物时，在3 m范围以内均可以正常通信，且准确率高，更新速度快．因此，在一般的家居环境下，将协调器放置于终端节点之间的适当位置，可以实现无线采集环境信息的功能，能够满足一般家居环境的监控需求，满足工程设计要求．

表1 无障碍物测试结果Table 1 Testing results without obstacle

表2 有障碍物测试结果Table 2 Testing results with obstacle

4 结语

利用WSN、GPRS等技术的优势，设计基于WSN与GPRS技术的智能家居监控系统.该系统利用WSN的无线特性进行家居信息的采集，通过GPRS将WSN网络接入因特网，数据信息通过远程端上位机软件程序进行显示与存储，实现监控数据的远程传输.该系统工作稳定、能耗小、成本低、易扩展，可广泛应用在其他类似的监控场合.

致谢

衷心感谢福建省教育厅及厦门理工学院提供的资金资助，以及光电与通信工程学院所有老师的支持！

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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

本文编辑：陈小平

2015－06－19

福建省中青年教师教育科研项目A类（JA14233）；国家自然科学基金（61202013）

冯陈伟（1981－），男，福建宁德人，讲师，博士研究生．研究方向：无线传感网．