多網(wǎng)融合的環(huán)境狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(duì)其進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)是一項(xiàng)有意義的課題。利用有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境狀況近距離監(jiān)測(cè)是傳統(tǒng)的手段，它存在布線復(fù)雜、困難，通信距離受限等缺點(diǎn)。隨著無線通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，檢測(cè)技術(shù)自動(dòng)化與通信技術(shù)的結(jié)合使遠(yuǎn)程分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能。
　融合Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、GPRS/GSM和PSTN的遠(yuǎn)程分布式環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮各個(gè)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程終端，基本不存在費(fèi)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(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(yuǎn)程終端。Ad hoc WSN是一個(gè)分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)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(yuǎn)端；遠(yuǎn)程終端由手機(jī)和普通計(jì)算機(jī)組成,用于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)狀況。

　Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是由一組帶有無線收發(fā)裝置的移動(dòng)終端組成的一個(gè)多跳臨時(shí)性自治系統(tǒng)，具有無中心、自組織、多跳路由和動(dòng)態(tài)拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，適合組建大規(guī)模分布式WSN。無線傳感器監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，MAC層采用IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)定義一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)。節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，網(wǎng)絡(luò)層使用AODVjr路由算法，AODVjr算法是針對(duì)AODV算法的改進(jìn)，考慮到IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)在節(jié)能、成本、應(yīng)用方便性等因素，簡(jiǎn)化AODV的一些特點(diǎn)，但是仍然保持AODV的原始功能[1]。采用AODVjr算法的好處，就是無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)每次與網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，總能找到一條最佳路徑；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中個(gè)別節(jié)點(diǎn)處于睡眠或停止工作時(shí)，仍不影響其他節(jié)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)電話線路的電路交換服務(wù)，用來作為連接遠(yuǎn)程端點(diǎn)的方法，其特點(diǎn)是分布廣泛，通信費(fèi)用低廉。
2 硬件設(shè)計(jì)
　設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)主要包括采集環(huán)境狀況的無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和進(jìn)行多網(wǎng)融合的網(wǎng)關(guān)兩大部分。
2.1無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)
　無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用“MCU+RF+Sensor”的模式，如圖2所示。單片機(jī)采用宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2，它有兩個(gè)串口,片內(nèi)集成60 KB的Flash存儲(chǔ)器，1 280 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，1 KB的EEPROM，8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器[2]。無線模塊采用Helicomm公司的IP-Link 1221-2034，該模塊符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(shí)要進(jìn)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(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路后，直接送至STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。
　發(fā)光二極管主要用于指示無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)；1602液晶用于顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，可以關(guān)閉液晶以節(jié)約電能;獨(dú)立按鍵主要用于設(shè)置環(huán)境狀況的報(bào)警上下限；當(dāng)環(huán)境狀況超過報(bào)警門限時(shí)，蜂鳴器將發(fā)聲報(bào)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(shí)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(shí)報(bào)告給遠(yuǎn)端控制中心或手機(jī)。如果現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)超標(biāo)，也可以立刻上報(bào)。同時(shí)，遠(yuǎn)端控制中心或手機(jī)可以主動(dòng)查詢WSN的狀況。