無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)設(shè)計(jì)與研究范文

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科技進(jìn)步給預(yù)防火災(zāi)、爆炸等意外事故提供了有力的保障。由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在無(wú)人的環(huán)境下工作,可以適應(yīng)更惡劣的環(huán)境,所以各國(guó)都非常重視無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在防火等系統(tǒng)中的應(yīng)用。西方發(fā)達(dá)國(guó)家在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在防火等方面的研究和應(yīng)用比我國(guó)早很多,如Intercorp在新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃中指出將側(cè)重于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)在森林滅火等領(lǐng)域的研究。我國(guó)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究起步較晚,技術(shù)還不太成熟,所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在防火系統(tǒng)中的應(yīng)用還不是很廣泛。

1無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

大多數(shù)的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)三部分組成。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息的采集,由遠(yuǎn)程監(jiān)控中心下達(dá)管理命令;無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集到的數(shù)據(jù)和控制命令的傳輸;遠(yuǎn)程控制中心負(fù)責(zé)處理收集到的監(jiān)控信息和發(fā)送管理命令給遠(yuǎn)程監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)。

2ZigBee技術(shù)

2.1ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介ZigBee技術(shù)是一種短距離、低速率、低功耗的無(wú)線通信技術(shù),以IEEE802.15.4為標(biāo)準(zhǔn),ZigBee協(xié)議與IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在物理層、媒體介質(zhì)訪問控制層是相同的,但是它重新定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。ZigBee工作在ISM頻段,有2.4GHz頻段和868/915MHz頻段,傳輸距離一般在10m到1000m。一臺(tái)ZigBee設(shè)備可以連接多達(dá)254個(gè)其他ZigBee設(shè)備。

2.2設(shè)備類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)三種設(shè)備類型:協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),但是可以有多個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)搭建網(wǎng)絡(luò)。

2.3網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型、樹形、網(wǎng)狀三種結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)以協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為中心,多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分布在周圍,各節(jié)點(diǎn)間彼此并不通信,數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)命令都通過協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳輸。

2.4網(wǎng)絡(luò)工作模式ZigBee網(wǎng)絡(luò)有兩種工作模式,分別是信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式。信標(biāo)模式下,協(xié)調(diào)器以一定的時(shí)間間隔向網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)幀。非信標(biāo)模式下,協(xié)調(diào)器和所有路由器都處于喚醒狀態(tài),而只允許終端設(shè)備進(jìn)行定期休眠[1]。為了降低功耗,終端節(jié)點(diǎn)大多數(shù)的時(shí)候處于休眠狀態(tài),在需要采集數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)被喚醒。

2.5網(wǎng)絡(luò)地址分配ZigBee節(jié)點(diǎn)地址分配有兩類。一類是設(shè)備生產(chǎn)固有的64位物理地址。這些地址由IEEE來(lái)維護(hù)和分配。另一類是由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)分配給設(shè)備的16位網(wǎng)絡(luò)地址,該地址也稱短地址。

2.6ZigBee路由過程AODV協(xié)議是一種按需路由協(xié)議,ZigBee網(wǎng)絡(luò)中就是使用AODV協(xié)議建立、維護(hù)ZigBee路由表。也就是說只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要建立連接時(shí),節(jié)點(diǎn)才廣播一個(gè)連接請(qǐng)求。當(dāng)路由器接收到節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包后,如果發(fā)送數(shù)據(jù)包的路由器和數(shù)據(jù)包要到達(dá)的目的節(jié)點(diǎn)直接相連,則兩者直接傳送。如果沒有直接相連,路由器就會(huì)查詢自己已經(jīng)保存的路由表,看是否有與目的節(jié)點(diǎn)地址相符的路由表記錄。如果有,則將數(shù)據(jù)包發(fā)送到該路由器上,然后傳送到目的節(jié)點(diǎn)。如果沒有,則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)包暫時(shí)放入緩存中,重新建立傳輸路徑。

2.7ZigBee組網(wǎng)ZigBee組網(wǎng)一般分為兩步,首先是網(wǎng)絡(luò)的建立,然后是設(shè)備入網(wǎng)。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,協(xié)調(diào)器是唯一能發(fā)起新的網(wǎng)絡(luò)建立的設(shè)備。新網(wǎng)絡(luò)的建立過程通過NLME_NETWORK_FORMATION.re-quest原語(yǔ)開始。網(wǎng)絡(luò)層在收到請(qǐng)求后首先通過NLME_SCAN.re-quest原語(yǔ)要求MAC層對(duì)信道能量進(jìn)行掃描,MAC層通過NLME_SCAN.confirm原語(yǔ)將掃描結(jié)果報(bào)告給網(wǎng)絡(luò)層。如果不能掃描到空閑信道則意味著無(wú)法完成新網(wǎng)絡(luò)建立的任務(wù);如果掃描到空閑信道,就會(huì)分配一個(gè)PANID和16位短地址給協(xié)調(diào)器。然后網(wǎng)絡(luò)層通過MLME_SET.request原語(yǔ)和MAC層進(jìn)行相關(guān)參數(shù)設(shè)置,設(shè)置完成后,網(wǎng)絡(luò)層利用MLME_START.request原語(yǔ)調(diào)用程序開始建網(wǎng)[1]。節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的方式有兩種,即子節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求入網(wǎng)和父節(jié)點(diǎn)邀請(qǐng)其加入這兩種。當(dāng)新的設(shè)備節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后,節(jié)點(diǎn)之間對(duì)應(yīng)的父子關(guān)系就會(huì)產(chǎn)生。新設(shè)備為子節(jié)點(diǎn),則另一設(shè)備為父節(jié)點(diǎn)[2]。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,只有協(xié)調(diào)器或路由器節(jié)點(diǎn)才能接受一個(gè)加入請(qǐng)求,而終端節(jié)點(diǎn)不可以。

3GPRS技術(shù)

3.1GPRS概述GPRS既可以傳輸語(yǔ)音也可傳輸數(shù)據(jù),只是兩者采用的方式不同而已。傳輸語(yǔ)音用TDMA方式而傳輸數(shù)據(jù)用分組方式。另外,GPRS技術(shù)還具有實(shí)時(shí)在線、按流量計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)。GPRS是在GSM基礎(chǔ)上增加分組交換模塊而實(shí)現(xiàn)的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),它還可以借助GSM網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)廣域無(wú)線連接。只要在有GSM網(wǎng)絡(luò)的地方,就可以使用GPRS技術(shù)[3]。

3.2GPRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)GPRS實(shí)際上是在GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加SGSN、GGSN等功能實(shí)體而形成的網(wǎng)絡(luò)。將分組交換技術(shù)引入到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，從而使得GSM網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)服務(wù)的支持。GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.3GPRS組網(wǎng)方式GPRS組網(wǎng)方式有三種。這三種組網(wǎng)方式分別是:(1)中心采用INTELNET公網(wǎng)連接固定IP的方式。這種方式組網(wǎng)前必須向運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)一個(gè)固定的IP地址。該種方法的缺點(diǎn)是費(fèi)用高,優(yōu)點(diǎn)是建立通路時(shí)間短、數(shù)據(jù)收發(fā)快。(2)中心采用APN專線接入+內(nèi)網(wǎng)固定IP的方式。這種方式中心通過APN專線接入GPRS網(wǎng)絡(luò),路由之間利用內(nèi)網(wǎng)IP地址進(jìn)行連接。此方法的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性高,成本低。(3)中心采用APN專線+GPRSMODEM方式。這種方式組網(wǎng)前需要開通APN專網(wǎng)業(yè)務(wù),通過MODEM綁定內(nèi)網(wǎng)固定IP。此方法的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)須進(jìn)行DNS解析,穩(wěn)定性強(qiáng),性價(jià)比合理。在實(shí)際應(yīng)用中,我們需要根據(jù)不同的應(yīng)用情況選擇合適的組網(wǎng)方式。

4ZigBee+GPRS網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

在傳統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,節(jié)點(diǎn)由于自身結(jié)構(gòu)的限制,其計(jì)算能力和帶寬等都非常有限,并且節(jié)點(diǎn)間大都采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式,因此整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的整體性能普遍較低。網(wǎng)關(guān)是連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的紐帶,網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉(zhuǎn)換。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集到數(shù)據(jù)后,網(wǎng)關(guān)將通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,同時(shí)監(jiān)控中心也可以通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制命令控制到ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)處理能力都比普通節(jié)點(diǎn)要強(qiáng)很多。為了增加無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的健壯性,ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)融合后再傳送給網(wǎng)關(guān),然后網(wǎng)關(guān)使用GPRS網(wǎng)絡(luò)將融合后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,這樣就實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)使近距離通信和遠(yuǎn)距離通信連接起來(lái),將遠(yuǎn)距離監(jiān)控變成可能。

4.1網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)時(shí),采用Chipcon公司的CC2530芯片實(shí)現(xiàn)近距離通信功能。CC2530模塊本身已經(jīng)固化了ZigBee協(xié)議棧和內(nèi)置8051單片機(jī)內(nèi)核,只需要進(jìn)行簡(jiǎn)單電路擴(kuò)展就能夠?qū)崿F(xiàn)射頻收發(fā)。另外采用西姆通公司的SIM900B實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信功能。通信時(shí),網(wǎng)關(guān)與SIM900B模塊之間使用RS232串口傳遞控制指令和數(shù)據(jù)。這些控制指令能夠控制SIM900B模塊登陸網(wǎng)關(guān)的過程,登錄成功后,網(wǎng)關(guān)便能夠傳送數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心了。利用CC2530模塊、CPRS模塊進(jìn)行網(wǎng)關(guān)硬件開發(fā)時(shí),由于CC2530有內(nèi)置的CPU,使得硬件開發(fā)起來(lái)很容易。硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是解決ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器模塊和GPRS模塊之間如何通信的問題。在這里直接使用RS232端口進(jìn)行兩者之間的連接和通信。設(shè)計(jì)時(shí)可以很容易的把ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和GPRS模塊組成一個(gè)模塊,此外還需要進(jìn)行一些電源和接口的設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一般由射頻收發(fā)模塊、單片機(jī)、存儲(chǔ)模塊、GPRS通信模塊組成,也可根據(jù)實(shí)際情況需要,相應(yīng)的增加其他模塊(如顯示模塊等)。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4.2網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)是連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)絡(luò)的橋梁。網(wǎng)關(guān)不但要接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)和監(jiān)控中心發(fā)出的控制命令,同時(shí)還要將傳感器采集到的數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。因此在網(wǎng)關(guān)上應(yīng)該具有以下模塊:GPRS和以太網(wǎng)交互模塊;串口讀寫模塊;命令映射模塊;協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊;日志管理和配置模塊;數(shù)據(jù)上傳和命令[5]。系統(tǒng)加電以后,首先進(jìn)行應(yīng)用程序初始化。初始化完畢后對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽,如果有外部事件中斷產(chǎn)生,則根據(jù)判斷響應(yīng)類型的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。其工作流程圖如圖3所示。根據(jù)前面的硬件設(shè)計(jì),網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)主要有協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)和MSP430F149的程序設(shè)計(jì)。(1)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)作用:進(jìn)行組網(wǎng);連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與MSP430F149,使兩者之間能夠互相通信。(2)基于MSP430F149的程序設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中,MSP430F149能夠使ZigBee網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的后臺(tái)服務(wù)器相連,這就實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控中心管理員對(duì)遠(yuǎn)端ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理。管理員在監(jiān)控中心發(fā)送控制命令即可掌握Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。MSP430F149通過UART0與SIM900B通信,啟動(dòng)時(shí)先要初始化SIM900B模塊并與互聯(lián)網(wǎng)建立連接。

5結(jié)語(yǔ)

本文將短距離高速率傳輸?shù)腪igBee網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)距離低速率傳輸?shù)腉PRS網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來(lái),充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì),使得在惡劣復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)人監(jiān)控成為可能或現(xiàn)實(shí),根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景,在設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)各個(gè)部分中所涉及到的具體技術(shù)要點(diǎn)采用各個(gè)擊破的思想來(lái)一一實(shí)現(xiàn)。本文所提出的設(shè)計(jì)可能還有不足之處,還有待改進(jìn)。

作者：呂劍銳 魏長(zhǎng)軍 單位：沈陽(yáng)理工大學(xué)