do:i 10. 3969/.j issn . 1671-7775. 2010. 02. 015基于GSM 的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)張西良, 張衛(wèi)華, 李萍萍, 張榮標(biāo), 張 鋒212013; 3

do:i 10. 3969/.j issn . 1671-7775. 2010. 02. 015

基于GSM 的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)

張西良, 張衛(wèi)華, 李萍萍, 張榮標(biāo), 張 鋒

212013; 3. 江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院, 江蘇鎮(zhèn)江212013) 1, 22132(1. 江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇鎮(zhèn)江212013; 2. 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇鎮(zhèn)江

摘要:為了實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境信息低功耗、低時延高效無線檢測與控制, 構(gòu)建了三層次室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 研制了在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中較關(guān)鍵的具有遠(yuǎn)程和短距離無線通信功能的網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn). 采用短距離無線通信CC2430模塊和全球移動通信系統(tǒng)(GS M ) GPRS 模塊設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn), 并利用GS M 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)嵌的TCP /I P 協(xié)議, 設(shè)計(jì)基于Zigbee 技術(shù)的無線收發(fā)功能程序和GS M 網(wǎng)絡(luò)傳輸控制功能程序. 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)試運(yùn)行表明, 網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)可以隨時獲取被監(jiān)測的溫室溫度等環(huán)境信息, 與一般無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相比, 信息傳輸能耗低、時延小響應(yīng)快, 實(shí)現(xiàn)了無線傳感器節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)之間的信息高效無線傳輸.

關(guān)鍵詞:無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 全球移動通信系統(tǒng); 溫室; 檢測; 簇頭節(jié)點(diǎn)

中圖分類號:TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1671-7775(2010) 02-0196-05

Head node of i ndoor w ireless sens or net work based on GS M

Zhang X iliang , Zhang W ei h ua , L i P ingp i n g , Zhang R ongbiao , Zhang F eng

Zhen jiang , J i angs u 212013, Ch i n a ; 2. Schoo l of M echan ical E ngi neeri ng , 1, 22132(1. Key Laboratory ofM odern Agri cu lt u ral E qu i pm en t and T echnology , M i n istry of E du cation and J i angs u P rovi n ce , J i angs u Un i versit y , Ji angsu Un i vers i ty , Zhen jiang , J i angs u 212013, Ch i na ; 3. Schoo l ofE l ectrical and Infor m ati on E ngi neeri ng , Jiangs u Un i versit y , Zhen jiang , J i angs u 212013, C h i na)

Abst ract :The i n door three levelw ireless sensor net w ork syste m w as constructed to rea lize t h e l o w l a tency and high l y e ffecti v e w ire less contr o l of the greenhouse envir onm ent infor m ati o n . H ead node for re m o te and short d istance w ire less co mm un icati o n w as designed , wh ich w as one of the key e le m ents of net w ork sys te m. The cluster head node w asm ade up of shortw ireless co mm un icati o n module CC2430and g lobal sys te m o fm obile co mmun ica ti o n GPRS m odu le . The w ireless transce iver prog ra m based on the Zigbee proto co l and t h e GS M net w or k trans m issi o n progra m based on the e m bedded TCP /I P protoco lw ere designed . The resu lts o f the net w or k syste m experi m ents sho w that the greenhouse env ironm en t physica l quantities such as te mperature can be obta i n ed m o m entarily , and the syste m has lo w er cos, t lo w er latency and qu i c ker response co m pared w ith the genera lw ireless senso r net w ork . E fficient and w ireless infor m ati o n co m m un i c ation bet w een the w ire less sensor node and re m ote m anage m ent co mpu ter is realized .

K ey w ords :w ireless sensor net w ork ; g l o ba l syste m for m ob ile co mmun icati o ns ; greenhouse ;

m easure m ents ; c l u ster heads

收稿日期:2008-12-25

基金項(xiàng)目:國家 863 計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA10Z258); 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(30771259); 江蘇大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)省部共建教育

部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(200710)

作者簡介:張西良(1964 ), 男, 江蘇丹陽人, 教授(z h angx@l u j s . edu . c n ), 主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測與控制研究. (1983 ), 女, , (z hang w @g m ai. l com ),

第2期張西良等:基于GS M 的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)

197

在某些溫室室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測中, 需要對溫度、濕

度、二氧化碳濃度以及各種電器的使用狀態(tài)、有害氣體或者易燃?xì)怏w濃度等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測, 并作出快速響應(yīng)處理(控制). 目前的室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng), 采用傳統(tǒng)有線傳感器, 需要大量的布線, 給系統(tǒng)管理和維護(hù)帶

[1-2]

來很多不便, 同時也存在安全隱患. 最新提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要針對室外環(huán)境, 通常信息傳輸時延長、響應(yīng)速度慢, 不能滿足室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測

[1]

和快速處理要求, 因此需要研發(fā)適合室內(nèi)信息檢測與控制的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng). 其中, 具有遠(yuǎn)程和短距離無線通信功能的簇頭節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)之一. 目前國內(nèi)外此方面的研究已取得了一定進(jìn)展. 文獻(xiàn)[3]提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)高效負(fù)載平衡算法, 來解決基于分簇的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的簇頭(網(wǎng)關(guān)) 節(jié)點(diǎn)的過載問題; 文獻(xiàn)[4]提出了基于覆蓋的簇頭節(jié)點(diǎn)選擇方法, 比起傳統(tǒng)基于能量的簇頭節(jié)點(diǎn)選擇方法, 該方法能使監(jiān)控整個范圍的維持時間延長1/4到4. 5倍; 文獻(xiàn)[5]結(jié)合GS M (g lobal syste m for m ob ile co mm un icati o ns , 全球移動通信系統(tǒng)) 技術(shù)和短距離無線通信技術(shù), 給出了一種傳感器數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng), 能穩(wěn)定地進(jìn)行多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸; 文獻(xiàn)[6]在試驗(yàn)溫室內(nèi)安裝無線傳感器節(jié)點(diǎn), 在PC 機(jī)上安裝主節(jié)點(diǎn), 仍然使用原溫室中C AN 總線的驅(qū)動電路和上層管理軟件, 進(jìn)行溫室環(huán)境無線檢測與控制; 文獻(xiàn)[7]針對能量與節(jié)點(diǎn)不均衡分布的W SN (wire less sensor net w ork , 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)), 提出了一種基于類的簇頭選擇優(yōu)化算法, 改進(jìn)簇和簇頭的分布方式, 提高負(fù)載均衡度, 并延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存時間. 這些研究主要集中于單一短距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的在分簇方法和簇頭選擇算法, 以及傳感器數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)距離傳輸系統(tǒng)構(gòu)建, 沒有研究解決信息傳輸時延長、響應(yīng)速度慢問題.

文中擬通過構(gòu)建低功耗、低時延、高效的室內(nèi)三層次無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 綜合應(yīng)用短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、遠(yuǎn)程GS M 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其內(nèi)嵌TCP/I P 協(xié)議, 研制網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn), 以期實(shí)現(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)之間信息高效無線傳輸.

一般節(jié)點(diǎn)(包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)和無線控制節(jié)點(diǎn)), 中

間層簇頭節(jié)點(diǎn), 高層的網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī). 其中, 無線傳感器節(jié)點(diǎn)分布在需要監(jiān)測的區(qū)域內(nèi), 完成數(shù)據(jù)采集、處理和無線通信等功能; 無線控制節(jié)點(diǎn)分布在需要控制的裝置內(nèi), 完成對狀態(tài)的控制; 簇頭節(jié)點(diǎn)接收各無線傳感器的狀態(tài)數(shù)據(jù), 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和對環(huán)境管理要求, 進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理和控制判斷處理, 對無線控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令, 并通過無線的方式與網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)通信, 在計(jì)算機(jī)上對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控與管理. 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中, 簇頭節(jié)點(diǎn)承擔(dān)著與底層節(jié)點(diǎn)和高層網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行無線通信的雙重任務(wù), 因此是網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)關(guān)鍵之一.

圖1 室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

F ig . 1 Structure d i agra m o f i ndoor w ire less sensor net work

2 基于GS M 的簇頭節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2. 1 硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的簇頭節(jié)點(diǎn)主要有無線傳感器模塊、GPRS 模塊和電源3部分組成, 如圖2所示. 其中無線傳感器模塊用于同一般傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信, GPRS 模塊用于傳輸采集到的信息到網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī). 無線傳感器模塊與GPRS 模塊之間通過RS232串口進(jìn)行相連, 電源模塊用于提供無線傳感器模塊和GPRS 模塊運(yùn)行所需電源.

1 室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

為了提高信息傳輸效率, 采用層次分析法, 綜合時延、能耗和成本3方面因素, 對室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)綜合分析, 得到結(jié)論:3層次無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

. [8-9]

, 2. 1. 1 無線傳感器模塊

簇頭節(jié)點(diǎn)與底層節(jié)點(diǎn)之間的無線通信采用基于Z i g bee 技術(shù)的CC2430無線傳感器模塊, 如圖2b 所示. 模塊核心CC2430芯片是符合Zi g bee 標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GH z 系統(tǒng)芯片(Syste m on Chip , 簡稱SoC), 能夠滿足低成本、低功耗應(yīng)用要求. CC2430芯片包括一個高性能、2. 4GH z 的DSSS(direct seqcuence spread spectro m , 直接序列擴(kuò)頻) 射頻收發(fā)器以及增強(qiáng)型

198

江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) 第31卷

的FLAS H 存儲器, I EEE 802. 15. 4PHY 層、MAC 層協(xié)議和Z i g bee 協(xié)議棧. 另外, CC2430的8位ADC 模塊可以采樣AVDD _SoC引腳上電壓, 即片上模擬供電電壓, 實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)電池的剩余電量檢測

.

圖2 簇頭節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖及組成模塊F i g. 2 Structure d i agra m s o f head node and m ode l

2. 1. 2 GPRS 模塊

GPRS 模塊采用北京博銳智業(yè)公司的S I M CO M 300, 如圖2c 所示, 模塊RS232通信單元能方便與CC2430無線傳感器模塊進(jìn)行串口通信. 2. 1. 3 簇頭節(jié)點(diǎn)電源

簇頭節(jié)點(diǎn)電源電路如圖2d 所示, POWER 為外接電源端子, 輸入電壓7. 5V, 經(jīng)LP2985-25穩(wěn)壓芯片, 輸出電壓為2. 5V, 滿足CC2430的工作要求, 此時二極管D1反向截止, 對電池電路無影響. 如果POWER 端子沒有外接電源, 電池通過二極管D1正向?qū)? 向LP2985-25穩(wěn)壓芯片提供3V 電壓, 同樣輸出2. 5V 穩(wěn)壓. 因此, 簇頭節(jié)點(diǎn)可選擇干電池供電或者外接電源供電. 2. 2 軟件設(shè)計(jì)

簇頭節(jié)點(diǎn)軟件部分的設(shè)計(jì), 就是對CC2430內(nèi)嵌的片上8051單片機(jī)進(jìn)行編程, 一方面實(shí)現(xiàn)基于Z i g bee 技術(shù)的短距離無線收發(fā)功能, 另一方面實(shí)現(xiàn)無線模塊CC2430與GPRS 模塊之間的串行通信, 使得單片機(jī)能夠?qū)PRS 模塊GSM 網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行管理. 因此, 簇頭節(jié)點(diǎn)軟件兩大核心是基于Z i g bee 技術(shù)的無線收發(fā)程序和GPRS 模塊的GS M 網(wǎng)絡(luò)傳輸控制程序, 如圖3所示. 2. 2. 1 無線收發(fā)程序

簇頭節(jié)點(diǎn)基于Zigbee 技術(shù)的無線收發(fā)程序流程如圖3a 所示. 首先無線收發(fā)芯片CC2430的Zig bee 協(xié)議棧初始化, 并打開中斷; 然后進(jìn)行無線傳感

, 址, 底層傳感器節(jié)點(diǎn)的I D 號和無線通訊頻道號等; 最后, 進(jìn)入應(yīng)用層, 進(jìn)行無線監(jiān)控, 檢測空中的Z i g bee 信號. 如果有新的無線傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò), 簇頭節(jié)點(diǎn)就會給新加入網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)分配I D 號. 如果無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來數(shù)據(jù), 則在應(yīng)用層中調(diào)用usr ZepRxCallback 處理函數(shù), 接收如溫度值、干電池電量余量等數(shù)據(jù). 最后進(jìn)行q 分類數(shù)據(jù)融

[11]

合, 進(jìn)行數(shù)據(jù)打包處理等.

[10]

[8]

圖3 程序框圖i

第2期張西良等:基于GS M 的室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn)

199

2. 2. 2 網(wǎng)絡(luò)傳輸控制程序

GPRS 模塊S I M 300串行通信口支持AT 指令, CC2430模塊8051單片機(jī)通過RS232通信單元對GPRS 模塊寫AT 指令, 使得GPRS 模塊登錄GPRS 網(wǎng)絡(luò), 實(shí)現(xiàn)GPRS 網(wǎng)絡(luò)無線數(shù)據(jù)傳輸和管理. GPRS 模塊網(wǎng)絡(luò)傳輸控制程序流程如圖3b 所示, 包括GPRS 模塊配置、GPRS 網(wǎng)絡(luò)和I NTERNET 網(wǎng)絡(luò)注冊、建立網(wǎng)絡(luò)鏈接以及與網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)無線通信

[12]

收發(fā)數(shù)據(jù)等. GPRS 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)的AT 指令包括以下兩類.

(1) 建立TCP 鏈接AT 指令:AT C I PSTART = TCP , I P , PORT . 其中, I P 為外網(wǎng)固定I P 地址或者已經(jīng)在I N TERNET 上注冊過的域名. 在建立TCP 鏈接的同時, 網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)(有固定I P 地址) 將運(yùn)行管理程序?qū)Χ丝谶M(jìn)行監(jiān)測, 并進(jìn)行應(yīng)答.

(2) 發(fā)送數(shù)據(jù)AT 指令:在鏈接成功之后, 使用AT C I PSE ND 指令發(fā)送數(shù)據(jù), 并以 ctrl z 作為發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束字符串. 網(wǎng)絡(luò)管理計(jì)算機(jī)對接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和處理.

在試驗(yàn)中為了測試能量的消耗, 系統(tǒng)采用定時休眠工作方式, 即傳感器節(jié)點(diǎn)每隔5m i n 采集并發(fā)送數(shù)據(jù)給簇頭節(jié)點(diǎn), 其余時間進(jìn)入休眠狀態(tài). 圖4中第一次發(fā)送數(shù)據(jù)時, 兩節(jié)五號電池的滿量程供電電壓為3. 290V, 在發(fā)送完第48次數(shù)據(jù)時電壓減少0. 01V, 此時節(jié)點(diǎn)處于休眠的時間共240m i n , 數(shù)據(jù)發(fā)送的時間約0. 043m s , 按照電池電壓降低到2V (CC2430正常工作電壓最低值) 進(jìn)行線性估算, 節(jié)點(diǎn)使用時間約55d . 隨著休眠時間越長, 能耗越小, 電池使用時間將愈長. 這與采用藍(lán)牙(使用時間1~7d) 和W I M AX(使用時間0. 5~5d) 無線通信技術(shù)相比, 具有明顯節(jié)能優(yōu)勢.

4 結(jié) 論

研制了基于GS M 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)簇頭節(jié)點(diǎn), 建立三層次室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng), 在定時休眠5m in 采集傳輸傳感器信息狀況下, 節(jié)點(diǎn)使用時間約55d , 與一般的基于藍(lán)牙、W I M AX 無線網(wǎng)絡(luò)相比, 具有信息傳輸時延、能耗和成本綜合優(yōu)勢, 效率高. 基于GS M 的三層次室內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于溫室等農(nóng)業(yè)設(shè)施、倉庫、智能家居、酒店賓館、醫(yī)院和超市等, 實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境信息實(shí)時無線監(jiān)測和快速處理, 具有非常大的應(yīng)用前景.

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3 傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行試驗(yàn)

以試驗(yàn)溫室為對象, 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行試驗(yàn). 網(wǎng)絡(luò)管

理計(jì)算機(jī)上接收數(shù)據(jù)界面如圖4所示, 顯示數(shù)據(jù)包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)的溫度值和供電電壓值. 從監(jiān)控界面上可以清晰的了解到每一個傳感器節(jié)點(diǎn)各個時刻的運(yùn)行情況, 以此來判斷溫室的狀況, 使網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員可以對溫室中產(chǎn)生的問題做出及時的響應(yīng). 試驗(yàn)中, 采用一個簇頭節(jié)點(diǎn), 4個一般傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn), 一般傳感器節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境溫度以及節(jié)點(diǎn)當(dāng)前電壓, 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至簇頭節(jié)點(diǎn), 簇頭節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)通過GS M 網(wǎng)絡(luò)無線發(fā)送至上位機(jī), 同時上位機(jī)運(yùn)行監(jiān)控程序, 將簇頭節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)顯示出來

.

圖4 計(jì)算機(jī)接收數(shù)據(jù)界面F data i ng i -160.

L i u Y r

200

江蘇大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)

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