基于GSM的室内无线传感器网络簇头节点

do:i 10. 3969/.j issn . 1671-7775. 2010. 02. 015基于GSM 的室内无线传感器网络簇头节点张西良, 张卫华, 李萍萍, 张荣标, 张 锋212013; 3

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

基于GSM 的室内无线传感器网络簇头节点

张西良, 张卫华, 李萍萍, 张荣标, 张 锋

212013; 3. 江苏大学电气信息工程学院, 江苏镇江212013) 1, 22132(1. 江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室, 江苏镇江212013; 2. 江苏大学机械工程学院, 江苏镇江

摘要:为了实现温室环境信息低功耗、低时延高效无线检测与控制, 构建了三层次室内无线传感器网络系统, 研制了在网络系统中较关键的具有远程和短距离无线通信功能的网络簇头节点. 采用短距离无线通信CC2430模块和全球移动通信系统(GS M ) GPRS 模块设计网络簇头节点, 并利用GS M 网络内嵌的TCP /I P 协议, 设计基于Zigbee 技术的无线收发功能程序和GS M 网络传输控制功能程序. 网络系统试运行表明, 网络管理计算机可以随时获取被监测的温室温度等环境信息, 与一般无线传感器网络相比, 信息传输能耗低、时延小响应快, 实现了无线传感器节点和远程管理计算机之间的信息高效无线传输.

关键词:无线传感器网络; 全球移动通信系统; 温室; 检测; 簇头节点

中图分类号:TP393 文献标志码:A 文章编号: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

基金项目:国家 863 计划项目(2006AA10Z258); 国家自然科学基金资助项目(30771259); 江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育

部重点实验室开放基金资助项目(200710)

作者简介:张西良(1964 ), 男, 江苏丹阳人, 教授(z h angx@l u j s . edu . c n ), 主要从事无线传感器网络检测与控制研究. (1983 ), 女, , (z hang w @g m ai. l com ),

第2期张西良等:基于GS M 的室内无线传感器网络簇头节点

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在某些温室室内环境监测中, 需要对温度、湿

度、二氧化碳浓度以及各种电器的使用状态、有害气体或者易燃气体浓度等进行实时监测, 并作出快速响应处理(控制). 目前的室内监控系统, 采用传统有线传感器, 需要大量的布线, 给系统管理和维护带

[1-2]

来很多不便, 同时也存在安全隐患. 最新提出的无线传感器网络主要针对室外环境, 通常信息传输时延长、响应速度慢, 不能满足室内环境的实时监测

[1]

和快速处理要求, 因此需要研发适合室内信息检测与控制的无线传感器网络系统. 其中, 具有远程和短距离无线通信功能的簇头节点是系统开发的关键点之一. 目前国内外此方面的研究已取得了一定进展. 文献[3]提出一种无线传感器网络高效负载平衡算法, 来解决基于分簇的无线传感器网络的簇头(网关) 节点的过载问题; 文献[4]提出了基于覆盖的簇头节点选择方法, 比起传统基于能量的簇头节点选择方法, 该方法能使监控整个范围的维持时间延长1/4到4. 5倍; 文献[5]结合GS M (g lobal syste m for m ob ile co mm un icati o ns , 全球移动通信系统) 技术和短距离无线通信技术, 给出了一种传感器数据无线远距离传输系统, 能稳定地进行多点远程监控和数据传输; 文献[6]在试验温室内安装无线传感器节点, 在PC 机上安装主节点, 仍然使用原温室中C AN 总线的驱动电路和上层管理软件, 进行温室环境无线检测与控制; 文献[7]针对能量与节点不均衡分布的W SN (wire less sensor net w ork , 无线传感器网络), 提出了一种基于类的簇头选择优化算法, 改进簇和簇头的分布方式, 提高负载均衡度, 并延长无线传感器网络的生存时间. 这些研究主要集中于单一短距离的无线传感器网络的在分簇方法和簇头选择算法, 以及传感器数据无线远距离传输系统构建, 没有研究解决信息传输时延长、响应速度慢问题.

文中拟通过构建低功耗、低时延、高效的室内三层次无线传感器网络系统, 综合应用短距离无线传感器网络通信技术、远程GS M 网络技术及其内嵌TCP/I P 协议, 研制网络簇头节点, 以期实现无线传感器节点和远程管理计算机之间信息高效无线传输.

一般节点(包括无线传感器节点和无线控制节点), 中

间层簇头节点, 高层的网络管理计算机. 其中, 无线传感器节点分布在需要监测的区域内, 完成数据采集、处理和无线通信等功能; 无线控制节点分布在需要控制的装置内, 完成对状态的控制; 簇头节点接收各无线传感器的状态数据, 根据网络状态和对环境管理要求, 进行数据融合处理和控制判断处理, 对无线控制节点发送控制指令, 并通过无线的方式与网络管理计算机通信, 在计算机上对整个网络进行监控与管理. 网络系统中, 簇头节点承担着与底层节点和高层网络管理计算机进行无线通信的双重任务, 因此是网络系统关键之一.

图1 室内无线传感器网络结构图

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

2 基于GS M 的簇头节点设计

2. 1 硬件设计

设计的簇头节点主要有无线传感器模块、GPRS 模块和电源3部分组成, 如图2所示. 其中无线传感器模块用于同一般传感器节点进行通信, GPRS 模块用于传输采集到的信息到网络管理计算机. 无线传感器模块与GPRS 模块之间通过RS232串口进行相连, 电源模块用于提供无线传感器模块和GPRS 模块运行所需电源.

1 室内无线传感器网络系统

为了提高信息传输效率, 采用层次分析法, 综合时延、能耗和成本3方面因素, 对室内无线传感器网络结构综合分析, 得到结论:3层次无线传感器网络

. [8-9]

, 2. 1. 1 无线传感器模块

簇头节点与底层节点之间的无线通信采用基于Z i g bee 技术的CC2430无线传感器模块, 如图2b 所示. 模块核心CC2430芯片是符合Zi g bee 标准的2. 4GH z 系统芯片(Syste m on Chip , 简称SoC), 能够满足低成本、低功耗应用要求. CC2430芯片包括一个高性能、2. 4GH z 的DSSS(direct seqcuence spread spectro m , 直接序列扩频) 射频收发器以及增强型

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江苏大学学报(自然科学版) 第31卷

的FLAS H 存储器, I EEE 802. 15. 4PHY 层、MAC 层协议和Z i g bee 协议栈. 另外, CC2430的8位ADC 模块可以采样AVDD _SoC引脚上电压, 即片上模拟供电电压, 实现对节点电池的剩余电量检测

.

图2 簇头节点的结构框图及组成模块F i g. 2 Structure d i agra m s o f head node and m ode l

2. 1. 2 GPRS 模块

GPRS 模块采用北京博锐智业公司的S I M CO M 300, 如图2c 所示, 模块RS232通信单元能方便与CC2430无线传感器模块进行串口通信. 2. 1. 3 簇头节点电源

簇头节点电源电路如图2d 所示, POWER 为外接电源端子, 输入电压7. 5V, 经LP2985-25稳压芯片, 输出电压为2. 5V, 满足CC2430的工作要求, 此时二极管D1反向截止, 对电池电路无影响. 如果POWER 端子没有外接电源, 电池通过二极管D1正向导通, 向LP2985-25稳压芯片提供3V 电压, 同样输出2. 5V 稳压. 因此, 簇头节点可选择干电池供电或者外接电源供电. 2. 2 软件设计

簇头节点软件部分的设计, 就是对CC2430内嵌的片上8051单片机进行编程, 一方面实现基于Z i g bee 技术的短距离无线收发功能, 另一方面实现无线模块CC2430与GPRS 模块之间的串行通信, 使得单片机能够对GPRS 模块GSM 网络功能进行管理. 因此, 簇头节点软件两大核心是基于Z i g bee 技术的无线收发程序和GPRS 模块的GS M 网络传输控制程序, 如图3所示. 2. 2. 1 无线收发程序

簇头节点基于Zigbee 技术的无线收发程序流程如图3a 所示. 首先无线收发芯片CC2430的Zig bee 协议栈初始化, 并打开中断; 然后进行无线传感

, 址, 底层传感器节点的I D 号和无线通讯频道号等; 最后, 进入应用层, 进行无线监控, 检测空中的Z i g bee 信号. 如果有新的无线传感器节点加入网络, 簇头节点就会给新加入网络的传感器节点分配I D 号. 如果无线传感器节点发送过来数据, 则在应用层中调用usr ZepRxCallback 处理函数, 接收如温度值、干电池电量余量等数据. 最后进行q 分类数据融

[11]

合, 进行数据打包处理等.

[10]

[8]

图3 程序框图i

第2期张西良等:基于GS M 的室内无线传感器网络簇头节点

199

2. 2. 2 网络传输控制程序

GPRS 模块S I M 300串行通信口支持AT 指令, CC2430模块8051单片机通过RS232通信单元对GPRS 模块写AT 指令, 使得GPRS 模块登录GPRS 网络, 实现GPRS 网络无线数据传输和管理. GPRS 模块网络传输控制程序流程如图3b 所示, 包括GPRS 模块配置、GPRS 网络和I NTERNET 网络注册、建立网络链接以及与网络管理计算机无线通信

[12]

收发数据等. GPRS 模块发送数据给计算机的AT 指令包括以下两类.

(1) 建立TCP 链接AT 指令:AT C I PSTART = TCP , I P , PORT . 其中, I P 为外网固定I P 地址或者已经在I N TERNET 上注册过的域名. 在建立TCP 链接的同时, 网络管理计算机(有固定I P 地址) 将运行管理程序对端口进行监测, 并进行应答.

(2) 发送数据AT 指令:在链接成功之后, 使用AT C I PSE ND 指令发送数据, 并以 ctrl z 作为发送数据结束字符串. 网络管理计算机对接受的数据进行管理和处理.

在试验中为了测试能量的消耗, 系统采用定时休眠工作方式, 即传感器节点每隔5m i n 采集并发送数据给簇头节点, 其余时间进入休眠状态. 图4中第一次发送数据时, 两节五号电池的满量程供电电压为3. 290V, 在发送完第48次数据时电压减少0. 01V, 此时节点处于休眠的时间共240m i n , 数据发送的时间约0. 043m s , 按照电池电压降低到2V (CC2430正常工作电压最低值) 进行线性估算, 节点使用时间约55d . 随着休眠时间越长, 能耗越小, 电池使用时间将愈长. 这与采用蓝牙(使用时间1~7d) 和W I M AX(使用时间0. 5~5d) 无线通信技术相比, 具有明显节能优势.

4 结 论

研制了基于GS M 的无线传感器网络簇头节点, 建立三层次室内无线传感器网络系统, 在定时休眠5m in 采集传输传感器信息状况下, 节点使用时间约55d , 与一般的基于蓝牙、W I M AX 无线网络相比, 具有信息传输时延、能耗和成本综合优势, 效率高. 基于GS M 的三层次室内无线传感器网络系统可以广泛应用于温室等农业设施、仓库、智能家居、酒店宾馆、医院和超市等, 实现室内环境信息实时无线监测和快速处理, 具有非常大的应用前景.

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3 传感器网络运行试验

以试验温室为对象, 进行网络运行试验. 网络管

理计算机上接收数据界面如图4所示, 显示数据包括无线传感器节点和簇头节点的温度值和供电电压值. 从监控界面上可以清晰的了解到每一个传感器节点各个时刻的运行情况, 以此来判断温室的状况, 使网络维护人员可以对温室中产生的问题做出及时的响应. 试验中, 采用一个簇头节点, 4个一般传感器节点进行试验, 一般传感器节点采集环境温度以及节点当前电压, 进行数据处理后发送至簇头节点, 簇头节点再将数据通过GS M 网络无线发送至上位机, 同时上位机运行监控程序, 将簇头节点发送过来的数据显示出来

.

图4 计算机接收数据界面F data i ng i -160.

L i u Y r

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