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。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。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。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。