引言
基于IEEE802.15.4的無線">無線傳感器網絡由于廉價、簡單、低功耗、低數據傳輸速率（250Kbit/s）以及工作在免申請的ISM（工業(yè)、科學和醫(yī)療）頻段的特點[1],將在自動控制、環(huán)境監(jiān)測等領域得到廣泛應用,在對無線">無線傳感器網絡深入研究的基礎上,我們選用了Helicomm公司新推出的IP-link1200模塊搭建了一個驗證系統(tǒng),實現了對目標點溫度指標與濕度指標的實時監(jiān)測控制功能。
1 驗證系統(tǒng)總體方案設計
無線">無線傳感器網絡采用大量具有多功能多信息信號獲取能力的傳感器,利用自組織無線">無線接入網絡與傳感器控制器連接,構成無線">無線傳感器網絡,典型的網絡結構如圖1所示。
無線">無線傳感器節(jié)點經多跳轉發(fā),通過網關接入網絡,在網絡的任務管理節(jié)點對傳感器信息進行管理、分類、處理,再把傳感器信息送給終端用戶[2]。
與傳統(tǒng)Ad hoc網絡相比,無線">無線傳感器網絡具有一些明顯特征：
a）以數據為中心,以無連接方式傳輸數據;
b）網絡的拓撲結構變化不大,主要是舊節(jié)點的離開和新節(jié)點的加入;
c）網絡結點密度高,傳感器節(jié)點數量眾多,單位面積擁有的節(jié)點數遠遠大于傳統(tǒng)的Ad hoc網絡;
d）傳感器節(jié)點由電池供電,節(jié)點能量有限;
e）網絡還應該具有容錯能力[3]。
對于無線">無線傳感器網絡協(xié)議,IEEE802.15.4滿足OSI-RM（開放系統(tǒng)互連參考模型）標準,定義了MAC（媒體接入控制）層和PHY（物理）層協(xié)議]1]。Zigbee是全球許多家公司組成的一個產業(yè)聯盟,它定義了一組基于IEEE802.15.4的有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準,我們搭建的系統(tǒng)符合Zigbee聯盟的規(guī)定,而Zigbee的MAC層、物理層則符合IEEE802.15.4協(xié)議,由于該標準是開放的,基于該標準的產品不必支持專利費,有利于加快無線">無線傳感器網絡領域的產業(yè)進程[4]。
對于該無線">無線傳感器網絡驗證系統(tǒng)的具體實現,可以由多種方案,有移動網、衛(wèi)星以及Internet等多種手段,此外還可以建立專網傳輸數據至管理中心、終端用戶。
針對本實驗驗證系統(tǒng)的實際應用是農業(yè)監(jiān)測控制,所以要考慮它的實際情況：一是建設的周期、資金;二是網絡的覆蓋范圍;三是終端用戶獲取數據信息的便利性,根據這3個要素,選擇GSM（全球移動通信系統(tǒng)）網絡較符合系統(tǒng)要求。
如圖2所示,無線">無線傳感器網絡驗證系統(tǒng)主要由數據采集和傳輸網絡（本地網絡）、GSM網絡、管理中心、用戶終端4部分組成,其中,用戶終端就是普通的手機,它和GSM網絡都是非常成熟的穩(wěn)定的平臺,因此驗證的主要研究工作在管理中心和本地網絡的設計實現以及如何接入GSM網絡。
管理中心的硬件由一臺PC機和數個GSM模塊組成,考慮到網絡阻塞問題,管理中心采用多個GSM模塊,軟件部分由任務管理軟件和數據庫組成,系統(tǒng)支持Internet網絡發(fā)布功能,實現數據共享。
本地網絡由一個兼做接收器的目的節(jié)點負責本地網絡的協(xié)調,并將采集的數據簡單處理后發(fā)給GSM網絡的管理中心,一個本地網絡中最多只能有255個傳感器節(jié)點,如果要安放更多的節(jié)點,可以通過增加本地忘了網絡的數目而達到目的。
實驗驗證系統(tǒng)實現的功能如下：用戶只需用普通的GSM手機向管理中心指定的號碼按照規(guī)定格式發(fā)送節(jié)點號、時間等數據請求信息,就會收到相應節(jié)點在該時間點上對應的溫濕度信息,例如,請求信息N112T05/09/01/20：30：00,表示節(jié)點號為112在2005年9月1日20時30分;返回信息為N112T05/09/01/20：30：00/W25S56表示112號節(jié)點在那一時刻的溫度是25攝氏度,相對濕度為65%,另外,在部分節(jié)點還加上了控制裝置,同樣,用戶也只需發(fā)短信,就能完成控制操作,還提供了Internet上的數據庫查詢服務,以便為用戶提供更多的信息。
傳感器采集數據的方式可以是定時采集,也可以是按用戶要求采集,數據的時間間隔、傳感器的節(jié)能等功能可以在管理中心進行設定,采集到的數據存放到管理中心的數據庫中,供顯示、報表打印使用,并發(fā)布到Internet上以利于各種用戶共享數據。
2 系統(tǒng)硬件設計和實現
2.1 本地網絡
我們把在本地網絡中的節(jié)點分為以下3種類型：
a）目的節(jié)點（接收器）：主要功能是匯總本地網絡的數據,并將它通過GSM網絡傳送給管理中心和用戶終端;
b）中繼節(jié)點：不但有數據采集、而且還具有控制功能（比如控制各種電機動作）;
c）源（普通）節(jié)點：具有實時采集溫度、濕度兩項指標的功能。
目的接點如圖3所示,由IP-Link1200通信模塊、溫度傳感器、濕度傳感器、GSM模塊、單片機AT89C51,串口擴展芯片SP2328、輔助接口電路以及電源模塊組成。
IP-Link1200通信模塊是由Helicomm公司開發(fā)的一款基于Zigbee標準的集成無線">無線網絡模塊,它支持多種組網方式（星形網絡、簇樹形網絡、對等網絡以及混合型網絡）,有1個UART（通用異步收發(fā)器）口、2個可用的ADC（模/數轉換）口。
溫度傳感器和濕度傳感器（HM150LF）分別連接到ADC0、ADC1口。
GSM模塊選用WAVECOM公司生產的Q2403A,它支持900MHz和1800MHz兩個頻段,接口為RS232C,通過AT指令控制,符合GSM07.07命令集。RS-232接口經過電平轉換,接入到串口擴展芯片SP2328。
單片機AT89C51是主節(jié)點控制的核心部分,它通過串口擴展芯片SP2328擴展了3個串口UART0、UART1、UART2、分別與GSM模塊、IP-Link1200模塊以及控制電路相連,控制電路部分,其實只是一個接口轉換電路,它把UART2口傳送過來的數據送到標準RS-232串口與各種不同類型的控制器相連,控制信號的數據解碼任務由AT89C51完成。
目的節(jié)點除去GSM部分的功能,就成為中繼節(jié)點。而普通節(jié)點具有溫濕度數據采集和網絡通信功能,由IP-Link1200模塊、傳感器和電源3部分組成,值得強調的是普通節(jié)點必須為配置結點參數留有一個UART接口。
2.2 管理中心
在管理中心的一臺PC機通過它的3個RS-232接口與相應的3個Q2403A模塊相連,多個GSM模塊的運用可以避免網絡忙時造成阻塞。
3 軟件流程和實現
3.1 本地網絡的軟件
軟件部分由節(jié)點程序和遠程管理中心程序兩部分組成。
節(jié)點程序主要流程圖如圖4所示。
設備初始化成功后對信道進行掃描,這里加入了節(jié)能考慮,查詢次數大于M時,設備自動轉入休眠計時狀態(tài),休眠時間大于Tmax后,又返回掃描狀態(tài)[5]。
節(jié)點程序的物理層、MAC層和網絡層部分運行于IP-Link1200通信模塊中,而應用層的程序則運行在AT89C51中,主要功能是通過控制3個UART口完成溫濕度數據采集、與GSM網絡的通信和對控制器的操作[6],它的一般幀結構如圖5所示。
3.2 管理中心
在位于遠程的管理中心,運行于PC上的管理軟件用Visual C++6.0開發(fā),支持數據庫查詢,該數據庫由微軟的Access 2002創(chuàng)建,當需要查詢某一本地網絡中某個節(jié)點的溫濕度指標時,僅輸入對應的節(jié)點號即可,界面如圖6所示,這時可以看到相應節(jié)點的溫濕度參數以及數據采集時間,界面如圖7所示,通常,在不進行手動采集時,設定一定的采集時間間隔,系統(tǒng)會自動采集并存儲數據。
4 結束語
本文介紹了用IP-Link1200模塊組建無線">無線傳感器的網絡的驗證系統(tǒng),實現了實時的監(jiān)控功能,可以相信,不久的將來,由于協(xié)議的開放性和Zigbee聯盟的大力推動,基于IEEE802.15.4的無線">無線傳感器網絡將在樓宇自控、環(huán)境監(jiān)測、PC外設等許多低速數據傳輸場合得到廣泛應用[7],并迅速形成產品。
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