孫 紅，潘永軍

(上海理工大學(xué)光電信息科學(xué)與計(jì)算工程機(jī)學(xué)院，上海 200093)

近年來我國溺水身亡事故頻發(fā)，已成為青少年和兒童非正常死亡的頭號(hào)殺手。2013年1月1日，廣東汕尾陸豐市湖東鎮(zhèn)南四坑水庫發(fā)生一起溺水事故，造成4學(xué)生死亡。3月10日，廣東惠州惠城區(qū)水口街道一個(gè)魚塘發(fā)生溺水事故，造成4名小學(xué)生溺亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1991年我國1～4歲兒童因溺水死亡的比例，為34.2/10萬，排在各種死亡原因的第3位，中小學(xué)生平均每天有40多人因溺水而死亡。

本系統(tǒng)通過終端，利用ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)和GPS衛(wèi)星定位，GPRS等技術(shù)，把終端與信息服務(wù)平臺(tái)聯(lián)系起來，針對(duì)河流湖泊等危險(xiǎn)區(qū)域提供遠(yuǎn)程定位跟蹤、監(jiān)控調(diào)度、位置服務(wù)、短信群發(fā)等功能，對(duì)事故頻發(fā)的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行電子圍欄式監(jiān)控與管理，從源頭上減少溺水事故的發(fā)生，保護(hù)少年兒童的生命安全。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)控危險(xiǎn)區(qū)域信息狀態(tài)的目的。測(cè)控區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)間自動(dòng)組網(wǎng)，在保證信號(hào)傳輸安全和實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制自動(dòng)化設(shè)備的目的。在防溺水的特殊環(huán)境下，ZigBee和GPRS組建的無線絡(luò)更加簡(jiǎn)單實(shí)用。

1.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于短距離的無線連接，具有20～250 kbit·s－1的傳輸速率，靈活的工作頻段為免執(zhí)照頻段2.4 GHz無線通信。自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)，這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)稱為無線基礎(chǔ)架構(gòu)無線局域網(wǎng)絡(luò)，且對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部設(shè)備的數(shù)量沒有限制，可隨時(shí)建立無線通信鏈路。一直處在監(jiān)聽狀態(tài)下的協(xié)調(diào)器能及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中新添加的終端節(jié)點(diǎn)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中可以容納多達(dá)254個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)間的無線通信距離為75 m、幾百m到幾km不等［1］。

1.2 GPRS技術(shù)

GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的縮寫，是一種適用于間歇性的、突發(fā)性的或頻繁的、少量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信技術(shù)。為確保數(shù)據(jù)傳輸過程中的及時(shí)性和可靠性，可以充分利用GPRS網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域廣和通信網(wǎng)絡(luò)的識(shí)錯(cuò)誤的能力，同時(shí)增加GGSN和 SGSN(Serving GPRS Support Node)，建立一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)分組快速傳輸數(shù)據(jù)，充分利用資源且支持IP協(xié)議及X.25協(xié)議等技術(shù)優(yōu)勢(shì)的“中心計(jì)算機(jī)—多個(gè)用戶點(diǎn)”的網(wǎng)絡(luò)［2］。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)

整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。主要由用戶層、服務(wù)器層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層組成。感知層的ZigBee網(wǎng)關(guān)將采集到的數(shù)據(jù)打包并通過GPRS發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層;服務(wù)器層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，反饋到網(wǎng)絡(luò)層中;在由網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［3］。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

2 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造

由多個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，微處理器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的中央處理單元。本系統(tǒng)采用CC2430芯片作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的中央處理單元，其芯片系統(tǒng)的功能模塊集成了CC2420RF收發(fā)器和增強(qiáng)型8051MCU;休眠模式下的電流消耗僅為0.9μA，提供外部中斷或RTC喚醒系統(tǒng)［4］;電壓范圍較寬(2.0～3.6 V);提供模擬和數(shù)字外設(shè)接口支持采集各種數(shù)據(jù)。

按照樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的無線傳感器，主要由ZigBee網(wǎng)關(guān)和端節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)功能。其ZigBee網(wǎng)關(guān)具有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的功能，能和網(wǎng)絡(luò)中任意設(shè)備進(jìn)行通信，這個(gè)全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)即為主設(shè)備;而和ZigBee網(wǎng)關(guān)通信的端節(jié)點(diǎn)作為簡(jiǎn)化的功能設(shè)備RFD(Reduced Function Device)，即為從設(shè)備。

端節(jié)點(diǎn)定時(shí)將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接的ZigBee網(wǎng)關(guān)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層，通過網(wǎng)絡(luò)層與服務(wù)器層和用戶層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，如圖1所示。ZigBee網(wǎng)關(guān)與各個(gè)端節(jié)點(diǎn)之間通過ZigBee協(xié)議進(jìn)行通信，能大幅提高系統(tǒng)的靈活性和移動(dòng)性。

2.2 ZigBee網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)關(guān)由 ARM單片機(jī)、GPRS模塊、ZigBee模塊和天線等組成，基于LINUX操作系統(tǒng)，運(yùn)行起來穩(wěn)定、可靠。ZigBee模塊負(fù)責(zé)和端節(jié)點(diǎn)通信，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到ARM單片機(jī)進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)分析處理完畢后將ARM單片機(jī)數(shù)據(jù)命令發(fā)送給所有端節(jié)點(diǎn)或某個(gè)端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測(cè)。GPRS模塊負(fù)責(zé)感知層和服務(wù)器層以及移動(dòng)用戶設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸?；竞诵碾娐返腁RM控制器和接口電路，可以保證這部分的正常工作。Linux嵌入式系統(tǒng)高效穩(wěn)定，擁有完善的網(wǎng)絡(luò)通信和文件管理機(jī)制，對(duì)多種硬件設(shè)備和不同的體系架構(gòu)支持良好，且具有優(yōu)秀的開發(fā)工具鏈及 ARM+Linux系統(tǒng)開發(fā)平等［5－7］等優(yōu)勢(shì)?？刂乒芾碥浖x擇Linux嵌入式系統(tǒng)，同時(shí)采用Atmel公司的AT91RM9200微處理器作為ARM芯片，其原理如圖2所示。

圖2 ARM控制器及接口電路系統(tǒng)圖

圖2中，以蜂窩射頻設(shè)備中的所有模擬和數(shù)字并處理GSM終端的語音和數(shù)據(jù)信號(hào)功能的GSM基帶處理器作為核心的MC39i模塊，還包括內(nèi)存、射頻模塊、電源模塊、40針零插力連接器裝置(ZIF)、天線接口等。指令、數(shù)據(jù)、語音信號(hào)和控制信號(hào)的雙向傳輸是通過ZIF連接SIM卡支架和電源實(shí)現(xiàn)。而本系統(tǒng)無線傳輸?shù)腉PRSModem采用西門子的低功雙頻GSM/GPRS模塊 MC39i［8］，如圖 3 所示。

圖3 MC39i結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分為3個(gè)部分:(1)端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和傳輸。(2)ARM+Linux的嵌入式系統(tǒng)軟件。(3)ZigBee網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。采用Jennic套件作為開發(fā)工具應(yīng)用在端節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)關(guān)之間的通信能搭建起ZigBee網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，讓系統(tǒng)有較高的穩(wěn)定性，減少開發(fā)的難度［9］。大規(guī)模、較復(fù)雜結(jié)構(gòu)的程序，采用C語言進(jìn)行編寫，可以提高軟件代碼的可讀性，縮短開發(fā)周期。端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳送的程序流程，如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)控制程序流程圖

數(shù)據(jù)經(jīng)過ARM+Linux嵌入式模塊處理后由GPRS發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層，而這些來自節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)則由ZigBee網(wǎng)關(guān)將網(wǎng)絡(luò)連接并參與管理之后接收［10］。程序流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee網(wǎng)關(guān)控制設(shè)備流程圖

通過基于套接字的網(wǎng)絡(luò)通信和撥號(hào)上網(wǎng)來完成GPRS數(shù)據(jù)傳輸，也就是PPP撥號(hào)連接(Point to Point Protocol Over Ethernet，基于以太網(wǎng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議連接)，PPP連接建立后就可以通過GPRS上網(wǎng)，并在套接字(Socket)的輔助下達(dá)成與服務(wù)器之間的通信。

服務(wù)器/客戶機(jī)模式(Server/Client)是由客戶端向服務(wù)器發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求并由服務(wù)器接收后給出相應(yīng)服務(wù)的典型模式，應(yīng)用于網(wǎng)站中不同主機(jī)間的通信，如圖6所示。

圖6 Socket通信示意圖

利用VC++開發(fā)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器上運(yùn)行的數(shù)據(jù)接收程序，具有效率高、功能強(qiáng)大、操作靈活等特點(diǎn)。用戶在客戶端使用數(shù)據(jù)瀏覽和下載、提取和更新操作［5］以獲取指定IP地址服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)是由監(jiān)聽Socket請(qǐng)求建立網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)上去，即被程序采納 B/S(Brower/Server)體系結(jié)構(gòu)的主要作用［11］。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了基于GPRS和ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)防溺水系統(tǒng)。在GPRS，ZigBee協(xié)議的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)要介紹了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件開發(fā)流程等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式性質(zhì)極大地提高了系統(tǒng)的方便性、移動(dòng)性和組網(wǎng)的靈活性，具有良好的應(yīng)用前景。

初步試驗(yàn)結(jié)果表明:(1)采用此種模式建立的無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有較高的通信效率和穩(wěn)定可靠性。(2)在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量較好的情況下，GPRS數(shù)據(jù)通信延遲是1～2 s。如果發(fā)送的數(shù)據(jù)量越大，延遲會(huì)越明顯。(3)對(duì)于一個(gè)多節(jié)點(diǎn)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)延遲會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)增大和ZigBee信號(hào)的強(qiáng)弱有明顯的增加。

［1］林少鋒，何一.基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2009(3):25 －27.

［2］陳紅華，徐云和，史曉云.基于GPS和GIS的土地監(jiān)察動(dòng)態(tài)巡查管理系統(tǒng)［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011(20):33－35.

［3］瞿雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［4］高鍵.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能耗研究［J］.電子測(cè)試，2008(2):1－4.

［5］段治超，杜克明，孫忠富，等.基于ARM－Linux和GPRS的農(nóng)業(yè)環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2008(6):12－15.

［6］李新.基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011(3):26－28.

［7］楊瑋，呂科，張棟，等.基于ZigBee技術(shù)的溫室無線智能控制終端開發(fā)［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010(3):34－36.

［8］王雪芳，何峰，郭文爽.基于ZigBee技術(shù)的智能家居系統(tǒng)［J］.電子科技，2014 27(10):14 －18.

［9］施承.基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)［D］.南京:東南大學(xué)，2006.

［10］劉強(qiáng).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2012.

［11］馬龍，汪煒.基于ZigBee和Android手機(jī)的分布式光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2014(4):21－24.