環(huán)境狀況在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國民生活等領(lǐng)域的重要作用日益顯著，如何對其進行有效監(jiān)測是一項有意義的課題。利用有線網(wǎng)絡(luò)對環(huán)境狀況近距離監(jiān)測是傳統(tǒng)的手段，它存在布線復雜、困難，通信距離受限等缺點。隨著無線通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，檢測技術(shù)自動化與通信技術(shù)的結(jié)合使遠程分布式實時監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各個網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸給遠程終端，基本不存在費用和距離的限制。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)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是一個分布式監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境狀況的數(shù)據(jù)采集；網(wǎng)關(guān)完成Ad hoc網(wǎng)絡(luò)與GPRS/GSM和PSTN的無縫連接，將WSN的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠端；遠程終端由手機和普通計算機組成，用于監(jiān)測現(xiàn)場狀況。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動終端組成的一個多跳臨時性自治系統(tǒng)，具有無中心、自組織、多跳路由和動態(tài)拓撲的特點，適合組建大規(guī)模分布式WSN。無線傳感器監(jiān)測節(jié)點間進行數(shù)據(jù)通信時，MAC層采用IEEE 802.15.4標準。該標準定義一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。節(jié)點間進行數(shù)據(jù)傳輸時，網(wǎng)絡(luò)層使用AODVjr路由算法，AODVjr算法是針對AODV算法的改進，考慮到IEEE 802.15.4標準在節(jié)能、成本、應用方便性等因素，簡化AODV的一些特點，但是仍然保持AODV的原始功能。采用AODVjr算法的好處，就是無線監(jiān)測節(jié)點每次與網(wǎng)關(guān)通信時，總能找到一條最佳路徑；當網(wǎng)絡(luò)中個別節(jié)點處于睡眠或停止工作時，仍不影響其他節(jié)點與網(wǎng)關(guān)的通信。

通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸。公共交換電話網(wǎng)PSTN（Public Switched Telephone Network）是基于標準電話線路的電路交換服務(wù)，用來作為連接遠程端點的方法，其特點是分布廣泛，通信費用低廉。

2 硬件設(shè)計

設(shè)計的硬件系統(tǒng)主要包括采集環(huán)境狀況的無線監(jiān)測節(jié)點和進行多網(wǎng)融合的網(wǎng)關(guān)兩大部分。

2.1無線監(jiān)測節(jié)點

無線監(jiān)測節(jié)點采用“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，它有兩個串口，片內(nèi)集成60 KB的Flash存儲器，1 280 B的數(shù)據(jù)存儲器，1 KB的EEPROM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器。無線模塊采用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之間通過串口進行通信，前者的串口屬5 V TTL電平，后者的串口是3.3 V TTL電平，兩者連接時要進行電平轉(zhuǎn)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數(shù)字溫濕度傳感器DHT11、Dallas公司的單總線數(shù)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(diào)理電路后，直接送至STC12C5A60S2單片機進行轉(zhuǎn)換。

發(fā)光二極管主要用于指示無線監(jiān)測節(jié)點的工作狀態(tài)；1602液晶用于顯示監(jiān)測結(jié)果，當系統(tǒng)正常工作時，可以關(guān)閉液晶以節(jié)約電能;獨立按鍵主要用于設(shè)置環(huán)境狀況的報警上下限；當環(huán)境狀況超過報警門限時，蜂鳴器將發(fā)聲報警。

2.2 網(wǎng)關(guān)

網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，它主要實現(xiàn)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)和GPRS/GSM及PSTN的連接，將WSN采集到的數(shù)據(jù)定時報告給遠端控制中心或手機。如果現(xiàn)場環(huán)境指標超標，也可以立刻上報。同時，遠端控制中心或手機可以主動查詢WSN的狀況。

網(wǎng)關(guān)主要由兩個STC12C5A60S2單片機作為控制器，它們通過互為主從方式的SPI總線連接。STC12C5A60S2_1連接Ad hoc無線模塊，通過SPI總線將WSN采集的環(huán)境狀況數(shù)據(jù)傳輸給STC12C5A60S2_2，后者通過串口連接GPRS/GSM模塊及嵌入式Modem（Embedded Modem，eModem），以接入GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)、Internet和PSTN。

2.2.1 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)接口

STC12C5A60S2_2通過GPRS模塊連接GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)和Internet。GPRS模塊主要采用明基公司的M23G設(shè)計，其內(nèi)部集成PPP和TCP／IP協(xié)議棧；支持網(wǎng)絡(luò)類型GPRS Class 8，GPRS Class B；共支持三個頻段：EGSM 900MHz、DCS1800MHz和PCS1900 MHz，具有短消息服務(wù)、語音通話、數(shù)據(jù)傳真等功能。設(shè)計的GPRS模塊工作穩(wěn)定可靠，性價比高。

M23G的工作電壓是3.3“4.5 V，設(shè)計電源的時候取3.8 V的電壓，模塊在工作中最大的瞬間電流能夠達到2 A，考慮到大電流的需要，采用開關(guān)型可調(diào)高性能微波電路專用穩(wěn)壓芯片LM2941構(gòu)造GPRS電源。

STC12C5A60S2_2與M23G模塊采用串行方式通信，波特率為9 600 b/s。M23G的DSR引腳與單片機的P2.4口相連，DSR為高表示模塊處在數(shù)據(jù)模式，為低表示處在命令模式。M23G的DTR引腳與單片機的P1.1口相連，可通過控制此引腳電平的高低時間來進行M23G的數(shù)據(jù)態(tài)和命令態(tài)的切換。

2.2.2 PSTN網(wǎng)絡(luò)接口

STC12C5A60S2_2經(jīng)由eModem撥號，通過PSTN網(wǎng)絡(luò)連接遠端計算機。天石科技公司的串行總線eModem是5V TTL電平，可直接與單片機進行串行通信。該eModem具有14.4 kb/s～56 kb/s的傳輸速率， 支持V.32bis、V.34和V.90標準， 支持標準AT命令集撥號/自動應答功能， 具有普通Modem 的大部分技術(shù)參數(shù)及功能， 可方便地嵌入到微控制器設(shè)計中。因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，eModem的流控功能可以不使用。STC12C5A60S2_2可通過P1.4引腳控制eModem進行復位。

3 軟件設(shè)計

無線監(jiān)測節(jié)點和網(wǎng)關(guān)中使用的單片機均為STC12C5A60S2，其固件用C51語言編寫，在Keil uVision3中編譯生成。監(jiān)控中心的軟件用LabVIEW設(shè)計，服務(wù)器網(wǎng)頁用ASP語言編寫。

3.1 Ad hoc網(wǎng)絡(luò)

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的無線節(jié)點除了要采集傳感器數(shù)據(jù)，進行人機交互外，還要查找路由，替其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。維護網(wǎng)絡(luò)是一項很復雜的工作，采用傳統(tǒng)的單一線程結(jié)構(gòu)不能很好地滿足要求。因此，從程序開發(fā)、維護方便的角度出發(fā)，將嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)Small RTOS51移植于無線節(jié)點中的STC12C5A60S2單片機。

Small RTOS51具有公開源代碼、可移植、可固化、占先式、中斷管理和RAM需求小的特點。如圖4所示，讓Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的AODVjr協(xié)議棧及其上層運行于Small RTOS51之上。網(wǎng)絡(luò)層采用AODVjr路由算法，它可能要同時處理查找路由、維護路由、收發(fā)數(shù)據(jù)等工作， Small RTOS51能夠即時處理上述幾種任務(wù)，同時給應用層程序提供多任務(wù)接口。

3.2 GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)

單片機主要通過AT命令控制GPRS模塊，以實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接、PDP激活、以太網(wǎng)接入和數(shù)據(jù)傳輸。GPRS模塊常用的AT如表1所示。

3.3 PSTN網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)關(guān)連接的eModem工作在自動應答的主叫模式下，單片機主要通過表2的AT命令對eModem進行設(shè)定和通信控制。通信主要有三個步驟：（1）初始化：設(shè)定結(jié)果碼格式，回顯命令及應答方式；（2）呼叫或應答：進入實際的數(shù)據(jù)/命令通信過程；（3）斷開連接：掛機。

3.4 計算機端軟件

服務(wù)器采用微軟的IIS（Internet Information Service）技術(shù)，利用ASP語言編寫動態(tài)網(wǎng)頁代碼，網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的數(shù)據(jù)由服務(wù)器接收后，保存在后臺ACCESS數(shù)據(jù)庫中，操作者可登錄服務(wù)器查詢遠程WSN的狀況。

遠端監(jiān)控中心通過普通Modem連接PSTN網(wǎng)絡(luò)，其計算機監(jiān)測軟件采用美國國家儀器NI（National Instruments）公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺LabVIEW實現(xiàn)。它可以為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠?qū)⒎爆崗碗s的語言編程簡化成為以菜單提示方式選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時簡便。

利用LabVIEW也可以很方便地作圖，把Modem接收到的溫濕度數(shù)據(jù)進行直觀顯示，圖5是用LabVIEW設(shè)計的軟件界面。

融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠程分布式系統(tǒng)可以充分發(fā)揮各種有線與無線、短距離與長距離網(wǎng)絡(luò)的特點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，對環(huán)境狀況進行實時監(jiān)測。系統(tǒng)硬件成本低廉，對供電和通信網(wǎng)絡(luò)的需求少，通信費用低，適用性廣，人機交互界面友好，管理操作簡單。適當改換傳感器，系統(tǒng)即可在工農(nóng)業(yè)監(jiān)控、環(huán)境檢測、安防、智能家電、醫(yī)學等實際應用中廣泛推廣，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

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