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科技進步給預防火災、爆炸等意外事故提供了有力的保障。由于無線傳感器網絡可以在無人的環境下工作,可以適應更惡劣的環境,所以各國都非常重視無線傳感器網絡在防火等系統中的應用。西方發達國家在無線傳感器網絡技術在防火等方面的研究和應用比我國早很多,如Intercorp在新型計算發展規劃中指出將側重于微型傳感器網絡在森林滅火等領域的研究。我國對無線傳感器網絡的研究起步較晚,技術還不太成熟,所以無線傳感器網絡在防火系統中的應用還不是很廣泛。

1無線遠程監控系統

大多數的無線遠程監控系統由遠程監控中心、無線傳輸系統、遠程監控終端網絡三部分組成。遠程監控終端網絡負責完成對現場信息的采集,由遠程監控中心下達管理命令;無線傳輸系統主要負責采集到的數據和控制命令的傳輸;遠程控制中心負責處理收集到的監控信息和發送管理命令給遠程監控終端網絡。

2ZigBee技術

2.1ZigBee技術簡介ZigBee技術是一種短距離、低速率、低功耗的無線通信技術,以IEEE802.15.4為標準,ZigBee協議與IEEE802.15.4標準在物理層、媒體介質訪問控制層是相同的,但是它重新定義了網絡層和應用層。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ZigBee設備可以連接多達254個其他ZigBee設備。

2.2設備類型ZigBee網絡三種設備類型:協調器節點、路由器節點和終端節點。ZigBee網絡中只有一個協調器節點,但是可以有多個路由器節點和終端節點。協調器節點負責搭建網絡。

2.3網絡拓撲結構ZigBee網絡拓撲結構有星型、樹形、網狀三種結構。星型網絡以協調器節點為中心,多個終端節點分布在周圍,各節點間彼此并不通信,數據和網絡命令都通過協調器節點傳輸。

2.4網絡工作模式ZigBee網絡有兩種工作模式,分別是信標模式和非信標模式。信標模式下,協調器以一定的時間間隔向網絡中其他節點廣播信標幀。非信標模式下,協調器和所有路由器都處于喚醒狀態,而只允許終端設備進行定期休眠[1]。為了降低功耗,終端節點大多數的時候處于休眠狀態,在需要采集數據時才會被喚醒。

2.5網絡地址分配ZigBee節點地址分配有兩類。一類是設備生產固有的64位物理地址。這些地址由IEEE來維護和分配。另一類是由ZigBee協調器節點分配給設備的16位網絡地址,該地址也稱短地址。

2.6ZigBee路由過程AODV協議是一種按需路由協議,ZigBee網絡中就是使用AODV協議建立、維護ZigBee路由表。也就是說只有當網絡節點需要建立連接時,節點才廣播一個連接請求。當路由器接收到節點發送的數據包后,如果發送數據包的路由器和數據包要到達的目的節點直接相連,則兩者直接傳送。如果沒有直接相連,路由器就會查詢自己已經保存的路由表,看是否有與目的節點地址相符的路由表記錄。如果有,則將數據包發送到該路由器上,然后傳送到目的節點。如果沒有,則將要發送的數據包暫時放入緩存中,重新建立傳輸路徑。

2.7ZigBee組網ZigBee組網一般分為兩步,首先是網絡的建立,然后是設備入網。在ZigBee網絡中,協調器是唯一能發起新的網絡建立的設備。新網絡的建立過程通過NLME_NETWORK_FORMATION.re-quest原語開始。網絡層在收到請求后首先通過NLME_SCAN.re-quest原語要求MAC層對信道能量進行掃描,MAC層通過NLME_SCAN.confirm原語將掃描結果報告給網絡層。如果不能掃描到空閑信道則意味著無法完成新網絡建立的任務;如果掃描到空閑信道,就會分配一個PANID和16位短地址給協調器。然后網絡層通過MLME_SET.request原語和MAC層進行相關參數設置,設置完成后,網絡層利用MLME_START.request原語調用程序開始建網[1]。節點設備進入網絡的方式有兩種,即子節點請求入網和父節點邀請其加入這兩種。當新的設備節點加入網絡后,節點之間對應的父子關系就會產生。新設備為子節點,則另一設備為父節點[2]。ZigBee網絡中,只有協調器或路由器節點才能接受一個加入請求,而終端節點不可以。

3GPRS技術

3.1GPRS概述GPRS既可以傳輸語音也可傳輸數據,只是兩者采用的方式不同而已。傳輸語音用TDMA方式而傳輸數據用分組方式。另外,GPRS技術還具有實時在線、按流量計算等優點。GPRS是在GSM基礎上增加分組交換模塊而實現的無線通信網絡,它還可以借助GSM網絡,實現廣域無線連接。只要在有GSM網絡的地方,就可以使用GPRS技術[3]。

3.2GPRS網絡結構GPRS實際上是在GSM網絡結構的基礎上增加SGSN、GGSN等功能實體而形成的網絡。將分組交換技術引入到GPRS網絡中，從而使得GSM網絡可以實現對數據服務的支持。GPRS網絡系統結構如圖1所示。

3.3GPRS組網方式GPRS組網方式有三種。這三種組網方式分別是:(1)中心采用INTELNET公網連接固定IP的方式。這種方式組網前必須向運營商申請一個固定的IP地址。該種方法的缺點是費用高,優點是建立通路時間短、數據收發快。(2)中心采用APN專線接入+內網固定IP的方式。這種方式中心通過APN專線接入GPRS網絡,路由之間利用內網IP地址進行連接。此方法的優點是穩定性強、安全性高,成本低。(3)中心采用APN專線+GPRSMODEM方式。這種方式組網前需要開通APN專網業務,通過MODEM綁定內網固定IP。此方法的優點是無須進行DNS解析,穩定性強,性價比合理。在實際應用中,我們需要根據不同的應用情況選擇合適的組網方式。

4ZigBee+GPRS網關設計

在傳統的無線傳感器網絡中,節點由于自身結構的限制,其計算能力和帶寬等都非常有限,并且節點間大都采用點對點的通信方式,因此整個網絡的整體性能普遍較低。網關是連接ZigBee網絡和GPRS網絡的紐帶,網關主要負責ZigBee網絡和GPRS網絡之間數據傳輸和協議轉換。在ZigBee網絡采集到數據后,網關將通過GPRS網絡將數據傳給遠程監控中心,同時監控中心也可以通過網關發送控制命令控制到ZigBee網絡節點。網關節點中,數據存儲容量和數據處理能力都比普通節點要強很多。為了增加無線傳感器網絡的健壯性,ZigBee網絡節點將采集到的數據融合后再傳送給網關,然后網關使用GPRS網絡將融合后的數據轉發給遠程監控中心,這樣就實現了ZigBee網絡和GPRS網絡之間的協議轉換和數據傳輸。網關使近距離通信和遠距離通信連接起來,將遠距離監控變成可能。

4.1網關硬件設計網關硬件設計時,采用Chipcon公司的CC2530芯片實現近距離通信功能。CC2530模塊本身已經固化了ZigBee協議棧和內置8051單片機內核,只需要進行簡單電路擴展就能夠實現射頻收發。另外采用西姆通公司的SIM900B實現遠距離通信功能。通信時,網關與SIM900B模塊之間使用RS232串口傳遞控制指令和數據。這些控制指令能夠控制SIM900B模塊登陸網關的過程,登錄成功后,網關便能夠傳送數據給監控中心了。利用CC2530模塊、CPRS模塊進行網關硬件開發時,由于CC2530有內置的CPU,使得硬件開發起來很容易。硬件設計的關鍵是解決ZigBee網絡的協調器模塊和GPRS模塊之間如何通信的問題。在這里直接使用RS232端口進行兩者之間的連接和通信。設計時可以很容易的把ZigBee協調器節點和GPRS模塊組成一個模塊,此外還需要進行一些電源和接口的設計。網關節點一般由射頻收發模塊、單片機、存儲模塊、GPRS通信模塊組成,也可根據實際情況需要,相應的增加其他模塊(如顯示模塊等)。網關結構圖如圖2所示。

4.2網關軟件設計網關是連接ZigBee網絡和GPRS網絡的橋梁。網關不但要接收ZigBee網絡采集到的數據和監控中心發出的控制命令,同時還要將傳感器采集到的數據上傳到監控中心。因此在網關上應該具有以下模塊:GPRS和以太網交互模塊;串口讀寫模塊;命令映射模塊;協議轉換模塊;日志管理和配置模塊;數據上傳和命令[5]。系統加電以后,首先進行應用程序初始化。初始化完畢后對網絡進行監聽,如果有外部事件中斷產生,則根據判斷響應類型的結果進行相應的數據處理。其工作流程圖如圖3所示。根據前面的硬件設計,網關程序設計主要有協調器節點程序設計和MSP430F149的程序設計。(1)協調器節點程序設計。協調器節點有兩個作用:進行組網;連接ZigBee網絡與MSP430F149,使兩者之間能夠互相通信。(2)基于MSP430F149的程序設計。網關設計中,MSP430F149能夠使ZigBee網絡和遠程監控中心的后臺服務器相連,這就實現了遠程監控中心管理員對遠端ZigBee網絡的管理。管理員在監控中心發送控制命令即可掌握ZigBee網絡的實時運行狀態。MSP430F149通過UART0與SIM900B通信,啟動時先要初始化SIM900B模塊并與互聯網建立連接。

5結語

本文將短距離高速率傳輸的ZigBee網絡和遠距離低速率傳輸的GPRS網絡結合起來,充分發揮兩者的優勢,使得在惡劣復雜環境下實現遠距離無人監控成為可能或現實,根據應用場景,在設計時,對各個部分中所涉及到的具體技術要點采用各個擊破的思想來一一實現。本文所提出的設計可能還有不足之處,還有待改進。

作者：呂劍銳 魏長軍 單位：沈陽理工大學