多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠程實(shí)時(shí)監測系統設計

環(huán)境狀況在工農業(yè)生產(chǎn)、國民生活等領(lǐng)域的重要作用日益顯著(zhù)，如何對其進(jìn)行有效監測是一項有意義的課題。利用有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )對環(huán)境狀況近距離監測是傳統的手段，它存在布線(xiàn)復雜、困難，通信距離受限等缺點(diǎn)。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通信、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，檢測技術(shù)自動(dòng)化與通信技術(shù)的結合使遠程分布式實(shí)時(shí)監測成為可能。
　融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò )、GPRS/GSM和PSTN的遠程分布式環(huán)境狀況監測系統能夠充分發(fā)揮各個(gè)網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)，將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )WSN(Wireless Sensor Network)監測的數據傳輸給遠程終端，基本不存在費用和距離的限制。
1 系統總體結構
　多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠程實(shí)時(shí)監測系統組成原理如圖1所示，它主要由三部分組成：Ad hoc網(wǎng)絡(luò )、網(wǎng)關(guān)和遠程終端。Ad hoc WSN是一個(gè)分布式監測系統，實(shí)現環(huán)境狀況的數據采集；網(wǎng)關(guān)完成Ad hoc網(wǎng)絡(luò )與GPRS/GSM和PSTN的無(wú)縫連接，將WSN的數據發(fā)送到遠端；遠程終端由手機和普通計算機組成,用于監測現場(chǎng)狀況。

　Ad hoc網(wǎng)絡(luò )是由一組帶有無(wú)線(xiàn)收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性自治系統，具有無(wú)中心、自組織、多跳路由和動(dòng)態(tài)拓撲的特點(diǎn)，適合組建大規模分布式WSN。無(wú)線(xiàn)傳感器監測節點(diǎn)間進(jìn)行數據通信時(shí)，MAC層采用IEEE 802.15.4標準。該標準定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)。節點(diǎn)間進(jìn)行數據傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò )層使用AODVjr路由算法，AODVjr算法是針對AODV算法的改進(jìn)，考慮到IEEE 802.15.4標準在節能、成本、應用方便性等因素，簡(jiǎn)化AODV的一些特點(diǎn)，但是仍然保持AODV的原始功能[1]。采用AODVjr算法的好處，就是無(wú)線(xiàn)監測節點(diǎn)每次與網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，總能找到一條最佳路徑；當網(wǎng)絡(luò )中個(gè)別節點(diǎn)處于睡眠或停止工作時(shí)，仍不影響其他節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的通信。
　通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)是在現有的GSM系統上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數據承載業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數據傳輸。公共交換電話(huà)網(wǎng)PSTN(Public Switched Telephone Network)是基于標準電話(huà)線(xiàn)路的電路交換服務(wù)，用來(lái)作為連接遠程端點(diǎn)的方法，其特點(diǎn)是分布廣泛，通信費用低廉。
2 硬件設計
　設計的硬件系統主要包括采集環(huán)境狀況的無(wú)線(xiàn)監測節點(diǎn)和進(jìn)行多網(wǎng)融合的網(wǎng)關(guān)兩大部分。
2.1無(wú)線(xiàn)監測節點(diǎn)
　無(wú)線(xiàn)監測節點(diǎn)采用“MCU+RF+Sensor”的模式，如圖2所示。單片機采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2，它有兩個(gè)串口,片內集成60 KB的Flash存儲器，1 280 B的數據存儲器，1 KB的EEPROM，8路10位高速A/D轉換器[2]。無(wú)線(xiàn)模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2034，該模塊符合IEEE 802.15.4標準，工作頻率是2.4 GHz，屬免許可證的ISM頻段。STC12C5A60S2與IP-Link1221-2034之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，前者的串口屬5 V TTL電平，后者的串口是3.3 V TTL電平，兩者連接時(shí)要進(jìn)行電平轉換。

　傳感器主要用煙霧傳感器MQ-2、煤氣傳感器MQ-5、CO傳感器MQ-9、Hamamatsu公司的光敏電阻P1201-04,以及奧松公司的單總線(xiàn)數字溫濕度傳感器DHT11、Dallas公司的單總線(xiàn)數字溫度傳感器DS18B20。光照度、煙霧、煤氣和CO傳感器輸出的模擬信號經(jīng)信號調理電路后，直接送至STC12C5A60S2單片機進(jìn)行轉換。
　發(fā)光二極管主要用于指示無(wú)線(xiàn)監測節點(diǎn)的工作狀態(tài)；1602液晶用于顯示監測結果，當系統正常工作時(shí)，可以關(guān)閉液晶以節約電能;獨立按鍵主要用于設置環(huán)境狀況的報警上下限；當環(huán)境狀況超過(guò)報警門(mén)限時(shí)，蜂鳴器將發(fā)聲報警。
2.2 網(wǎng)關(guān)
　網(wǎng)關(guān)的結構如圖3所示,它主要實(shí)現Ad hoc網(wǎng)絡(luò )和GPRS/GSM及PSTN的連接，將WSN采集到的數據定時(shí)報告給遠端控制中心或手機。如果現場(chǎng)環(huán)境指標超標，也可以立刻上報。同時(shí)，遠端控制中心或手機可以主動(dòng)查詢(xún)WSN的狀況。