ZigBee技术在防溺水系统中的应用

2015-12-20潘永军

电子科技 2015年6期

孙红，潘永军

(上海理工大学光电信息科学与计算工程机学院，上海 200093)

近年来我国溺水身亡事故频发，已成为青少年和儿童非正常死亡的头号杀手。2013年1月1日，广东汕尾陆丰市湖东镇南四坑水库发生一起溺水事故，造成4学生死亡。3月10日，广东惠州惠城区水口街道一个鱼塘发生溺水事故，造成4名小学生溺亡。据统计，1991年我国1～4岁儿童因溺水死亡的比例，为34.2/10万，排在各种死亡原因的第3位，中小学生平均每天有40多人因溺水而死亡。

本系统通过终端，利用ZigBee通信网络和GPS卫星定位，GPRS等技术，把终端与信息服务平台联系起来，针对河流湖泊等危险区域提供远程定位跟踪、监控调度、位置服务、短信群发等功能，对事故频发的危险区域进行电子围栏式监控与管理，从源头上减少溺水事故的发生，保护少年儿童的生命安全。

1 系统方案设计

本系统设计的无线测控网络，实现了实时监控危险区域信息状态的目的。测控区域内的节点间自动组网，在保证信号传输安全和实时性的基础上，实现了远程控制自动化设备的目的。在防溺水的特殊环境下，ZigBee和GPRS组建的无线络更加简单实用。

1.1 ZigBee无线网络

ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，主要用于短距离的无线连接，具有20～250 kbit·s－1的传输速率，灵活的工作频段为免执照频段2.4 GHz无线通信。自组网方式实现ZigBee组网，这种网络架构称为无线基础架构无线局域网络，且对网络内部设备的数量没有限制，可随时建立无线通信链路。一直处在监听状态下的协调器能及时发现网络中新添加的终端节点。一个ZigBee网络中可以容纳多达254个终端节点和1个中心节点，节点间的无线通信距离为75 m、几百m到几km不等［1］。

1.2 GPRS技术

GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)的缩写，是一种适用于间歇性的、突发性的或频繁的、少量数据传输的无线通信技术。为确保数据传输过程中的及时性和可靠性，可以充分利用GPRS网络的覆盖区域广和通信网络的识错误的能力，同时增加GGSN和 SGSN(Serving GPRS Support Node)，建立一个能够实现分组快速传输数据，充分利用资源且支持IP协议及X.25协议等技术优势的“中心计算机—多个用户点”的网络［2］。

1.3 系统构造设计

整体系统设计结构，如图1所示。主要由用户层、服务器层、网络层和感知层组成。感知层的ZigBee网关将采集到的数据打包并通过GPRS发送到网络层;服务器层对数据进行分析后，反馈到网络层中;在由网络对用户层进行数据传输［3］。

图1 系统整体结构设计图

2 基于ZigBee无线传感器网络硬件设计

2.1 传感器网络构造

由多个无线传感器网络节点组成无线传感器网络，微处理器作为网络节点中的中央处理单元。本系统采用CC2430芯片作为网络节点中的中央处理单元，其芯片系统的功能模块集成了CC2420RF收发器和增强型8051MCU;休眠模式下的电流消耗仅为0.9μA，提供外部中断或RTC唤醒系统［4］;电压范围较宽(2.0～3.6 V);提供模拟和数字外设接口支持采集各种数据。

按照树状网络结构设计的无线传感器，主要由ZigBee网关和端节点来实现功能。其ZigBee网关具有网络协调器的功能，能和网络中任意设备进行通信，这个全功能设备FFD(Full Function Device)即为主设备;而和ZigBee网关通信的端节点作为简化的功能设备RFD(Reduced Function Device)，即为从设备。

端节点定时将采集到的数据通过ZigBee网络发送到ZigBee网关，通过GPRS网络和互联网对接的ZigBee网关将采集的数据发送至网络层，通过网络层与服务器层和用户层进行数据传递，如图1所示。ZigBee网关与各个端节点之间通过ZigBee协议进行通信，能大幅提高系统的灵活性和移动性。

2.2 ZigBee网关硬件设计

ZigBee网关由 ARM单片机、GPRS模块、ZigBee模块和天线等组成，基于LINUX操作系统，运行起来稳定、可靠。ZigBee模块负责和端节点通信，将接收到的数据转发到ARM单片机进行处理，数据分析处理完毕后将ARM单片机数据命令发送给所有端节点或某个端节点，从而实现对危险区域环境的监测。GPRS模块负责感知层和服务器层以及移动用户设备之间的数据传输。基本核心电路的ARM控制器和接口电路，可以保证这部分的正常工作。Linux嵌入式系统高效稳定，拥有完善的网络通信和文件管理机制，对多种硬件设备和不同的体系架构支持良好，且具有优秀的开发工具链及 ARM+Linux系统开发平等［5－7］等优势。控制管理软件选择Linux嵌入式系统，同时采用Atmel公司的AT91RM9200微处理器作为ARM芯片，其原理如图2所示。

图2 ARM控制器及接口电路系统图

图2中，以蜂窝射频设备中的所有模拟和数字并处理GSM终端的语音和数据信号功能的GSM基带处理器作为核心的MC39i模块，还包括内存、射频模块、电源模块、40针零插力连接器装置(ZIF)、天线接口等。指令、数据、语音信号和控制信号的双向传输是通过ZIF连接SIM卡支架和电源实现。而本系统无线传输的GPRSModem采用西门子的低功双频GSM/GPRS模块 MC39i［8］，如图 3 所示。

图3 MC39i结构图

3 系统软件设计

系统软件分为3个部分:(1)端节点的数据采集和传输。(2)ARM+Linux的嵌入式系统软件。(3)ZigBee网关的数据接收和发送。采用Jennic套件作为开发工具应用在端节点和ZigBee网关之间的通信能搭建起ZigBee网络平台，让系统有较高的稳定性，减少开发的难度［9］。大规模、较复杂结构的程序，采用C语言进行编写，可以提高软件代码的可读性，缩短开发周期。端节点实现数据采集和传送的程序流程，如图4所示。

图4 终端节点控制程序流程图

数据经过ARM+Linux嵌入式模块处理后由GPRS发送到网络层，而这些来自节点的数据则由ZigBee网关将网络连接并参与管理之后接收［10］。程序流程图如图5所示。

图5 ZigBee网关控制设备流程图

通过基于套接字的网络通信和拨号上网来完成GPRS数据传输，也就是PPP拨号连接(Point to Point Protocol Over Ethernet，基于以太网的点对点协议连接)，PPP连接建立后就可以通过GPRS上网，并在套接字(Socket)的辅助下达成与服务器之间的通信。

服务器/客户机模式(Server/Client)是由客户端向服务器发送服务请求并由服务器接收后给出相应服务的典型模式，应用于网站中不同主机间的通信，如图6所示。

图6 Socket通信示意图

利用VC++开发远程监控中心服务器上运行的数据接收程序，具有效率高、功能强大、操作灵活等特点。用户在客户端使用数据浏览和下载、提取和更新操作［5］以获取指定IP地址服务器数据库中的数据，而这些数据是由监听Socket请求建立网络存储上去，即被程序采纳 B/S(Brower/Server)体系结构的主要作用［11］。