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基于无线传感器网络的水情监测数据传输的设计_计算机应用论文

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简介摘要:提出一种将基于Zigbee的无线传感器网络应用于水环境检测的系统,该系统将Zigbee网络与GPRS无线通信网络结合,在传感器终端,采用ZigBee无线传输系统,能够将多

摘要:提出一种将基于Zigbee的无线传感器网络应用于水环境检测的系统  ,该系统将Zigbee网络与GPRS无线通信网络结合  ,在传感器终端  ,采用ZigBee无线传输系统  ,能够将多样化的测量变量进行收集 ,然后通过ZigBee网络传送到协调器节点 ,然后协调器节点通过GPRS模块发送  ,经过GPRS协议与TCP/IP协议转换  ,完成与Internet的连接  ,监控中心可以通过Internet网络进行信号的收集  ,完成数据的远程采集与传输过程 。
  关键词:无线传感器网络;水情监测;Zigbee;GPRS
  中图分类号:TP212 文献标识码:A文章编号:1007-9599 (2011) 20-0000-02
  Hydrological Monitoring Data Transmission Design
  Based on Wireless Sensor Network
  Wang Zhi
  (Jiujiang College of Information Science and Technology College,Jiujiang332005,China)
  Abstract:A Zigbee-based wireless sensor networks used in environmental monitoring of water systems,the system will Zigbee and GPRS wireless communication network with the sensor end,the use of ZigBee wireless transmission system that will measure a variety of variables collection,and then sent via a ZigBee network to the coordinator node,then the coordinator node to send via GPRS module through GPRS protocol and TCP/IP protocol conversion,complete with Internet connection,the monitoring center through the Internet network for signal collection,complete data remote acquisition and transmission.
  Keywords:Wireless sensor network;Hydrological monitoring;Zigbee;GPRS
  一、引言
  水环境监测是水资源保护与管理的基础  ,是实现水资源科学管理的重要保障  。目前  ,将无线传感器网络(WSNs)应用于环境信息监测领域正成为一个热点研究方向  。
  目前无线传感器网络(WSNs)都是应用于森林环境监测、农田环境检测等  ,而将无线传感器网络应用于水环境检测还缺乏具体的实例  。本文提出一种将基于Zigbee的无线传感器网络应用于水环境检测的系统  ,该系统充分发挥Zigbee网络与GPRS网络的优点 ,在传感器节点端  ,使用ZigBee进行无线传输  ,将多样化的测量数据进行收集  ,然后通过ZigBee网络传送到协作器节点 ,然后协作器节点经由GPRS节点发送 ,通过GPRS协议与TCP/IP协议转换  ,登录Internet  ,后台监控则可以通过Internet网络将采集到的数据进行收集  ,完成数据的远程采集与传输过程[1]  。
  二、相关技术分析
  ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线组网技术  。[1]ZigBee是一种高可靠的无线数传网络  ,类似于CDMA和GSM网络  。ZigBee数传模块类似于移动网络基站  。通讯距离从标准的75m到几百米、几公里 ,并且支持无限扩展  。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台  ,在整个网络范围内  ,每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信  ,每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展 。移动通信的CDMA网或GSM网不同的是  ,ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立  ,因而  ,它必须具有简单 ,使用方便  ,工作可靠 ,价格低的特点  。而移动通信网主要是为语音通信而建立 ,每个基站价值一般都在百万元人民币以上  ,而每个ZigBee传感器节点却不到1000元人民币  。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象 ,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控  ,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料  。除此之外 ,每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内  ,和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接  。因此 ,ZigBee非常适用于无线传感器网络  。
  GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称  ,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务  。GPRS可说是GSM的延续  。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同  ,是以封包(Packet)式来传输  ,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位计算 ,并非使用其整个频道 ,理论上较为便宜  。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps  。因此  ,GPRS技术非常适合在水情监测系统中应用  。GPRS经常被描述成“2.5G”  ,也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间  。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道 ,提供中速的数据传递 。GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式  ,只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换  ,这种改造的投入相对来说并不大  ,但得到的用户数据速率却相当可观  。而且 ,因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器 ,所以连接及传输都会更方便容易  。如此 ,使用者既可联机上网  ,参加视讯会议等互动传播  ,而且在同一个视讯网络上(VRN)的使用者  ,甚至可以无需通过拨号上网  ,而持续与网络连接  。
  三、系统组成与结构
  在系统中  ,终端设备就是传感器节点 ,节点随机部署  ,配置有低成本、低功耗的微处理器  ,可采集湿度、温度等环境监测参数.若干个相邻的传感器节点构成一个称为簇的自组织网络 ,簇中的传感器节点又可以分为簇首和普通节点.簇首是全功能设备  ,主要用于数据的融合及转发.簇首可以将所辖簇中普通节点采集到的数据发送到上层的协调器 ,也能将协调器接收到的信息在簇内进行广播;普通节点是精简功能设备  ,它只能与簇首通信 ,即把采集到的数据跳转至本簇的簇首  。协调器的功能是建立网络  ,对网络进行管理和控制  ,并保存网络的一些基本信息;最终协调器将监测到的数据转发到网关  ,经过处理后  ,再由网关通过GPRS网络将数据发送到监控中心.监控中心包括通信服务器和数据服务器  ,通信服务器与网关通过GPRS网络进行数据交换  ,数据服务器保存接收到的水情环境数据  ,并且提供了数据的管理、查询和编辑等服务[3] 。
  电路应该有电源模块、传感器模块、MCU、无线模块等部分组成[6-8]  。在此采用德州仪器(TI)公司生产的CC2430 。CC2430集成了符合IEEE 802.15.4标准的射频收发器  ,工作于2.4GHz频段  ,内置了高性能、低功耗的8051微控制器  ,以及14位的A/D转换器.CC2430的灵敏度为-91dBm  ,最大输出是 0.6dBm  ,最大传送速率为250Kbps  ,并且具有良好的抗干扰性能 。CC2430采用低电压(2.0-3.6V)供电 ,休眠状态时电流消耗仅0.9μA  ,从休眠模式切换到主动模式只需要15ms  。这些特性使得CC2430适合于能量有限但又要求长期连续工作的水情环境监测[3]  。
  四、系统软件流程
  系统软上电启动后  ,首先初始化各项参数  ,最为重要的是对两个串口的初始化  ,分别设置好对应的波特率以及数据格式  。然后开始检测串口0是否收到数据  。如果收到数据  ,再检测是否是预先所定义好的地理位置信息、水情信息等数据格式  。如果是  ,开始通过串口1启动GPRS连接 ,建立透明通道之后 ,把从串口0收到的数据通过串口1发送到GPRS模块  ,通过GPRS网络传送到所预定的目的IP地址上去 。
  如果持续不断地从串口0接收到地理位置信息与水情信息等数据  ,那么就不断执行转发程序  ,发送数据到GPRS网络;如果超过5min串口0还是没有数据的话  ,那么就执行断开程序 ,断开GPRS连接 ,让系统进入节电模式以降低能耗  。在节电模式中  ,如果串口0又接收到数据 ,则重新对GPRS模块进行初始化  ,然后接入GPRS网络  。利用GPRS进行数据传送是软件设计中的关键  。
  GPRS通过以下过程完成数据传输设置:
  1)通过AT CGATT命令与GPRS网络附着 。2)通过AT#GPRSMODE命令让模块切换到GPRS模式  。3)设置网络的接入点(APN)名称为CMNET  。4)分别输入APN的用户名和密码  。5)通过AT#CONNECTIONSTART开始连接  。6)设置TCP连接的服务器地址和端口号  。7)打开TCP连接 。
  上述操作成功后  ,GPRS模块就可以透明地传送数据了  。所有送到串口1的数据将被打包成TCP格式 ,传送到服务器IP(监测中心)上去  。设计中要注意一个关键的问题是差错控制  。在接入GPRS网络后正在传送数据的过程中  ,GPRS连接忽然断开或者其它外界原因引起GPRS传输出现问题  ,如果这个时候还持续向串口1送数据  ,那么数据将不被传送 ,就会出现丢失数据的现象  。为了避免这种现象的发生 ,在传送数据的过程中  ,如果串口1收到数据  ,则进入中断处理程序  。因为正在传送的过程中  ,监测中心不会发来数据 ,如果串口1收到数据 ,说明有异常现象发生  。在串口1中断处理程序中 ,对数据进行检测 ,如果确实是GPRS连接出现了问题 ,那么暂时把从串口0接收的数据存储起来  ,然后重新进行GPRS连接  ,等到网络连接建好之后再继续传送数据 。
  五、结束语
  本文说明了利用基于Zigbee的无线传感器网络对数据进行采集 ,利用GPRS无线网络进行控制  ,实现了对分布式水情监测点所采集数据信息的GPRS业务无线传送 。提高了数据传输的实时性、可靠性和数据传输的能力 ,具有外围器件少、电路简单、系统成本低等优点  。
  参考文献:
  [1]付金勇,郭爱文.基于ZigBee网络与GPRS的数据采集传输系统设计[J].北京:电子设计工程,2011,7
  [2]王万良,洪波.基于GPRS技术的水情监测系统的应用[J].杭州:浙江水利水电专科学校学报,2011,7
  [3]狄飞 ,张莉君.基于ZigBee无线传感器网络的森林环境监测系统.福州:福建农林大学学报  ,2011  ,7.
  [4]LvJie.GPRSTechno logy[M].Beijin:University of Posts and Telecommunications Press,1998.
  [5]Pan Zuojin.C8051F020 mixed-signal ISP FLA SH MCU Family Datasheet.Rev1.1 2002,10.
  [6]Douglas E.Comer.Internetworking with TCP/IP Vo Li:principles,protocols,and architectures fourth edition[M].PublishingHouse of Electronics Industry,1998.
  [7]Embedded Network M icrocontro ller[Z].M yson Century Semiconductor Inc,2002.
  [8]刘峰.基于嵌入式TCP/IP的远程GPRS控制终端的设计与实现[J].北京:小型微型计算机系统,2006,6

      

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