多网融合的环境状况远程实时监测系统设计

环境状况在工农业生产、国民生活等领域的重要作用日益显著，如何对其进行有效监测是一项有意义的课题。利用有线网络对环境状况近距离监测是传统的手段，它存在布线复杂、困难，通信距离受限等缺点。随着无线通信、网络技术的发展，检测技术自动化与通信技术的结合使远程分布式实时监测成为可能。
　融合Ad hoc网络、GPRS/GSM和PSTN的远程分布式环境状况监测系统能够充分发挥各个网络的优点，将无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)监测的数据传输给远程终端，基本不存在费用和距离的限制。
1 系统总体结构
　多网融合的环境状况远程实时监测系统组成原理如图1所示，它主要由三部分组成：Ad hoc网络、网关和远程终端。Ad hoc WSN是一个分布式监测系统，实现环境状况的数据采集；网关完成Ad hoc网络与GPRS/GSM和PSTN的无缝连接，将WSN的数据发送到远端；远程终端由手机和普通计算机组成,用于监测现场状况。

　Ad hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，具有无中心、自组织、多跳路由和动态拓扑的特点，适合组建大规模分布式WSN。无线传感器监测节点间进行数据通信时，MAC层采用IEEE 802.15.4标准。该标准定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。节点间进行数据传输时，网络层使用AODVjr路由算法，AODVjr算法是针对AODV算法的改进，考虑到IEEE 802.15.4标准在节能、成本、应用方便性等因素，简化AODV的一些特点，但是仍然保持AODV的原始功能[1]。采用AODVjr算法的好处，就是无线监测节点每次与网关通信时，总能找到一条最佳路径；当网络中个别节点处于睡眠或停止工作时，仍不影响其他节点与网关的通信。
　通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service)是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输。公共交换电话网PSTN(Public Switched Telephone Network)是基于标准电话线路的电路交换服务，用来作为连接远程端点的方法，其特点是分布广泛，通信费用低廉。
2 硬件设计
　设计的硬件系统主要包括采集环境状况的无线监测节点和进行多网融合的网关两大部分。
2.1无线监测节点
　无线监测节点采用“MCU+RF+Sensor”的模式，如图2所示。单片机采用宏晶科技公司生产的STC12C5A60S2，它有两个串口,片内集成60 KB的Flash存储器，1 280 B的数据存储器，1 KB的EEPROM，8路10位高速A/D转换器[2]。无线模块采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2034，该模块符合IEEE 802.15.4标准，工作频率是2.4  GHz，属免许可证的ISM频段。STC12C5A60S2与IP-Link1221-2034之间通过串口进行通信，前者的串口属5 V TTL电平，后者的串口是3.3 V TTL电平，两者连接时要进行电平转换。

　传感器主要用烟雾传感器MQ-2、煤气传感器MQ-5、CO传感器MQ-9、Hamamatsu公司的光敏电阻P1201-04,以及奥松公司的单总线数字温湿度传感器DHT11、Dallas公司的单总线数字温度传感器DS18B20。光照度、烟雾、煤气和CO传感器输出的模拟信号经信号调理电路后，直接送至STC12C5A60S2单片机进行转换。
　发光二极管主要用于指示无线监测节点的工作状态；1602液晶用于显示监测结果，当系统正常工作时，可以关闭液晶以节约电能;独立按键主要用于设置环境状况的报警上下限；当环境状况超过报警门限时，蜂鸣器将发声报警。
2.2 网关
　网关的结构如图3所示,它主要实现Ad hoc网络和GPRS/GSM及PSTN的连接，将WSN采集到的数据定时报告给远端控制中心或手机。如果现场环境指标超标，也可以立刻上报。同时，远端控制中心或手机可以主动查询WSN的状况。

   网关主要由两个STC12C5A60S2单片机作为控制器，它们通过互为主从方式的SPI总线连接。STC12C5A60S2_1连接Ad hoc无线模块，通过SPI总线将WSN采集的环境状况数据传输给STC12C5A60S2_2，后者通过串口连接GPRS/GSM模块及嵌入式Modem（Embedded Modem，eModem）,以接入GPRS/GSM网络、Internet和PSTN。
2.2.1 GPRS/GSM网络接口
　STC12C5A60S2_2通过GPRS模块连接GPRS/GSM网络和Internet。GPRS模块主要采用明基公司的M23G设计，其内部集成PPP和TCP／IP协议栈；支持网络类型GPRS Class 8，GPRS Class B；共支持三个频段：EGSM 900MHz、DCS1800MHz和PCS1900 MHz，具有短消息服务、语音通话、数据传真等功能[3]。设计的GPRS模块工作稳定可靠，性价比高。
　M23G的工作电压是3.3~4.5 V，设计电源的时候取3.8 V的电压，模块在工作中最大的瞬间电流能够达到2 A，考虑到大电流的需要，采用开关型可调高性能微波电路专用稳压芯片LM2941构造GPRS电源。
　STC12C5A60S2_2与M23G模块采用串行方式通信,波特率为9 600 b/s。M23G的DSR引脚与单片机的P2.4口相连，DSR为高表示模块处在数据模式，为低表示处在命令模式。M23G的DTR引脚与单片机的P1.1口相连，可通过控制此引脚电平的高低时间来进行M23G的数据态和命令态的切换。
2.2.2 PSTN网络接口
   STC12C5A60S2_2经由eModem拨号，通过PSTN网络连接远端计算机。天石科技公司的串行总线eModem是5V TTL电平，可直接与单片机进行串行通信。该eModem具有14.4 kb/s～56 kb/s的传输速率, 支持V.32bis、V.34和V.90标准, 支持标准AT命令集拨号/自动应答功能, 具有普通Modem 的大部分技术参数及功能, 可方便地嵌入到微控制器设计中[4]。因为传输的数据量不大，eModem的流控功能可以不使用。STC12C5A60S2_2可通过P1.4引脚控制eModem进行复位。
3 软件设计
　无线监测节点和网关中使用的单片机均为STC12C5A60S2，其固件用C51语言编写，在Keil uVision3中编译生成。监控中心的软件用LabVIEW设计，服务器网页用ASP语言编写。
3.1 Ad hoc网络
　Ad hoc网络中的无线节点除了要采集传感器数据，进行人机交互外,还要查找路由，替其他节点转发数据。维护网络是一项很复杂的工作，采用传统的单一线程结构不能很好地满足要求。因此，从程序开发、维护方便的角度出发，将嵌入式实时多任务操作系统Small RTOS51移植于无线节点中的STC12C5A60S2单片机。
　Small RTOS51具有公开源代码、可移植、可固化、占先式、中断管理和RAM需求小的特点[5]。如图4所示，让Ad hoc网络的AODVjr协议栈及其上层运行于Small RTOS51之上。网络层采用AODVjr路由算法，它可能要同时处理查找路由、维护路由、收发数据等工作， Small RTOS51能够即时处理上述几种任务，同时给应用层程序提供多任务接口。

3.2 GPRS/GSM网络
　单片机主要通过AT命令控制GPRS模块，以实现GPRS网络的连接、PDP激活、以太网接入和数据传输。GPRS模块常用的AT如表1所示。

3.3 PSTN网络
　网关连接的eModem工作在自动应答的主叫模式下,单片机主要通过表2的AT命令对eModem进行设定和通信控制。通信主要有三个步骤：(1)初始化：设定结果码格式，回显命令及应答方式；(2)呼叫或应答：进入实际的数据/命令通信过程；(3)断开连接：挂机。

3.4 计算机端软件
　服务器采用微软的IIS(Internet Information Service)技术，利用ASP语言编写动态网页代码，网关发送来的数据由服务器接收后，保存在后台ACCESS数据库中，操作者可登录服务器查询远程WSN的状况。
　远端监控中心通过普通Modem连接PSTN网络，其计算机监测软件采用美国国家仪器NI(National Instruments)公司推出的虚拟仪器开发平台LabVIEW实现。它可以为用户提供简明、直观、易用的图形编程方式，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时简便。
　利用LabVIEW也可以很方便地作图，把Modem接收到的温湿度数据进行直观显示，图5是用LabVIEW设计的软件界面。

    融合Ad hoc网络、GPRS/GSM和PSTN的远程分布式系统可以充分发挥各种有线与无线、短距离与长距离网络的特点，实现优势互补，对环境状况进行实时监测。系统硬件成本低廉，对供电和通信网络的需求少，通信费用低，适用性广，人机交互界面友好，管理操作简单。适当改换传感器，系统即可在工农业监控、环境检测、安防、智能家电、医学等实际应用中广泛推广，产生良好的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]  CHAKERES I D, KLEIN-VERNDT L. AODVjr, AODV simplified[J]. Mobile Computing and Communication Review,2002,6(3):100-101.
[2]  宏晶科技有限责任公司.STC12C5A60S2单片机器件手册[G]. 2009.
[3]  BenQ Corp..M23 Datasheet(Version 0.1)[G]. 2006-11-1.
[4]  北京天石科技有限责任公司.嵌入式调制解调器eModem使用说明书[G]. 2001.
[5]  陈明计,周立功.嵌入式实时操作系统Small RTOS51原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.