環境狀況在工農業生產、國民生活等領域的重要作用日益顯著，如何對其進行有效監測是一項有意義的課題。利用有線網絡對環境狀況近距離監測是傳統的手段，它存在布線復雜、困難，通信距離受限等缺點。隨著無線通信、網絡技術的發展，檢測技術自動化與通信技術的結合使遠程分布式實時監測成為可能。

融合Ad hoc網絡、GPRS/GSM和PSTN的遠程分布式環境狀況監測系統能夠充分發揮各個網絡的優點，將無線傳感器網絡WSN（Wireless Sensor Network）監測的數據傳輸給遠程終端，基本不存在費用和距離的限制。

1 系統總體結構

多網融合的環境狀況遠程實時監測系統組成原理如圖1所示，它主要由三部分組成：Ad hoc網絡、網關和遠程終端。Ad hoc WSN是一個分布式監測系統，實現環境狀況的數據采集；網關完成Ad hoc網絡與GPRS/GSM和PSTN的無縫連接，將WSN的數據發送到遠端；遠程終端由手機和普通計算機組成，用于監測現場狀況。

Ad hoc網絡是由一組帶有無線收發裝置的移動終端組成的一個多跳臨時性自治系統，具有無中心、自組織、多跳路由和動態拓撲的特點，適合組建大規模分布式WSN。無線傳感器監測節點間進行數據通信時，MAC層采用IEEE 802.15.4標準。該標準定義一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術。節點間進行數據傳輸時，網絡層使用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，就是無線監測節點每次與網關通信時，總能找到一條最佳路徑；當網絡中個別節點處于睡眠或停止工作時，仍不影響其他節點與網關的通信。

通用分組無線業務GPRS（General Packet Radio Service）是在現有的GSM系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸。公共交換電話網PSTN（Public Switched Telephone Network）是基于標準電話線路的電路交換服務，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 硬件設計

設計的硬件系統主要包括采集環境狀況的無線監測節點和進行多網融合的網關兩大部分。

2.1無線監測節點

無線監測節點采用“MCU+RF+Sensor”的模式，如圖2所示。單片機采用宏晶科技公司生產的STC12C5A60S2，它有兩個串口，片內集成60 KB的Flash存儲器，1 280 B的數據存儲器，1 KB的EEPROM，8路10位高速A/D轉換器。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字溫濕度傳感器DHT11、Dallas公司的單總線數字溫度傳感器DS18B20。光照度、煙霧、煤氣和CO傳感器輸出的模擬信號經信號調理電路后，直接送至STC12C5A60S2單片機進行轉換。

發光二極管主要用于指示無線監測節點的工作狀態；1602液晶用于顯示監測結果，當系統正常工作時，可以關閉液晶以節約電能;獨立按鍵主要用于設置環境狀況的報警上下限；當環境狀況超過報警門限時，蜂鳴器將發聲報警。

2.2 網關

網關的結構如圖3所示，它主要實現Ad hoc網絡和GPRS/GSM及PSTN的連接，將WSN采集到的數據定時報告給遠端控制中心或手機。如果現場環境指標超標，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。

網關主要由兩個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采集的環境狀況數據傳輸給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網絡、Internet和PSTN。

2.2.1 GPRS/GSM網絡接口

STC12C5A60S2_2通過GPRS模塊連接GPRS/GSM網絡和Internet。GPRS模塊主要采用明基公司的M23G設計，其內部集成PPP和TCP／IP協議棧；支持網絡類型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、語音通話、數據傳真等功能。設計的GPRS模塊工作穩定可靠，性價比高。

M23G的工作電壓是3.3“4.5 V，設計電源的時候取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，采用開關型可調高性能微波電路專用穩壓芯片LM2941構造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據模式，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的數據態和命令態的切換。

2.2.2 PSTN網絡接口

STC12C5A60S2_2經由eModem撥號，通過PSTN網絡連接遠端計算機。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 的大部分技術參數及功能， 可方便地嵌入到微控制器設計中。因為傳輸的數據量不大，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 軟件設計

無線監測節點和網關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。監控中心的軟件用LabVIEW設計，服務器網頁用ASP語言編寫。

3.1 Ad hoc網絡

Ad hoc網絡中的無線節點除了要采集傳感器數據，進行人機交互外，還要查找路由，替其他節點轉發數據。維護網絡是一項很復雜的工作，采用傳統的單一線程結構不能很好地滿足要求。因此，從程序開發、維護方便的角度出發，將嵌入式實時多任務操作系統Small RTOS51移植于無線節點中的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網絡的AODVjr協議棧及其上層運行于Small RTOS51之上。網絡層采用AODVjr路由算法，它可能要同時處理查找路由、維護路由、收發數據等工作， Small RTOS51能夠即時處理上述幾種任務，同時給應用層程序提供多任務接口。

3.2 GPRS/GSM網絡

單片機主要通過AT命令控制GPRS模塊，以實現GPRS網絡的連接、PDP激活、以太網接入和數據傳輸。GPRS模塊常用的AT如表1所示。

3.3 PSTN網絡

網關連接的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進行設定和通信控制。通信主要有三個步驟：（1）初始化：設定結果碼格式，回顯命令及應答方式；（2）呼叫或應答：進入實際的數據/命令通信過程；（3）斷開連接：掛機。

3.4 計算機端軟件

服務器采用微軟的IIS（Internet Information Service）技術，利用ASP語言編寫動態網頁代碼，網關發送來的數據由服務器接收后，保存在后臺ACCESS數據庫中，操作者可登錄服務器查詢遠程WSN的狀況。

遠端監控中心通過普通Modem連接PSTN網絡，其計算機監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平臺LabVIEW實現。它可以為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形編程方式，能夠將繁瑣復雜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接收到的溫濕度數據進行直觀顯示，圖5是用LabVIEW設計的軟件界面。

融合Ad hoc網絡、GPRS/GSM和PSTN的遠程分布式系統可以充分發揮各種有線與無線、短距離與長距離網絡的特點，實現優勢互補，對環境狀況進行實時監測。系統硬件成本低廉，對供電和通信網絡的需求少，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，系統即可在工農業監控、環境檢測、安防、智能家電、醫學等實際應用中廣泛推廣，產生良好的經濟效益和社會效益。

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