基于Zig Bee和3G技术的WSNs环境监控系统设计*

袁 腾，李秋红，杨国斌，程 磊

（湖南大学微纳光电器件及应用教育部重点实验室，湖南长沙 410082）

0 引言

现今比较流行的监控系统，一般是通过2种方式接入Internet网，一是比较传统的以有线以太网的方式，因为是采取有线的方式接入，所以，整个系统缺乏灵活性，二是通过无线通信（GSM/GPRS）的方式接入Internet网，此种方式通信质量不高，并且通信速率也有着很大的限制。

3G是英文3rd Generation的缩写，指第三代移动通信技术。它是在第二代移动通信技术基础上进一步演进的以宽带CDMA技术为主，并能同时提供语音数据综合服务和移动多媒体服务的移动通信系统。与以往的移动语音技术相比，3G技术极大地增加了系统容度。提高了端到端通信质量和更高的数据传输速率。本设计将3G技术与Zig Bee技术相结合，采用C/S的架构，以ARM11做为服务器，将智能手机或者PC机做为客户端，让整个系统有着更高的通信质量，大大的提高了数据的传输速率，增加了系统的灵活性，增强了系统的实时性，降低了系统的成本［1～4］。

1 系统总体设计

图1所示为基于Zig Bee和3G技术的无线传感器网络（wireless sensor networks，WSNs）环境监控系统，整个系统由WSNs，服务器和客户端构成。WSNs由无线传感技术—Zig Bee技术组建而成，各种类型的传感器挂接在传感网络的各个节点中。传感器节点采集到的监测数据经由Zig Bee网络发送至基站，再经由RS—232传送到ARM服务器，服务器将接收到的数据进行解析并存入数据库中，互联网中的PC机和智能手机等联网终端都可以做为客户端，对采集到的传感器数据进行访问。同样，由客户端发出的控制信息，经过3G网络和Zig Bee网络控制传感器中各个节点的工作。

2 系统硬件设计

2．1 WSNs组网方式与传感器节点硬件设计

图1 系统网络拓朴结构图Fig 1 Structure diagram of system network topology

本设计选用了美国TI公司的CC2530芯片。Zig Bee的网络拓扑结构分为3种:星型、树型和网状型。星型结构组建简单，这种简单带来的好处是较低的设备成本，较少的上层路由信息，管理便捷。因此，本设计采用了星型结构组建 Zig Bee网络［4］。

传感器选用了AM2303数字温湿度传感器，AM2303数字温湿度传感器是一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括1只电容式湿敏元件和DS18B20热敏元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

2．2 ARM服务器的硬件设计

本设计采用三星公司的S3C6410做为服务器的微处理器。S3C6410是目前三星公司主推的基于ARM11架构的一种功能强大的处理器。该处理器采用ARM1176JZF—S的核，包含16kB的指令数据Cache和16kB的指令数据TCM，ARM Core电压为1．1 V的时候，可以运行到553 MHz，在1．2 V的情况下，可以运行到 667 MHz。通过 AXI，AHB 和APB组成的64/32 bit内部总线和外部模块相连。ARM服务器通过3G无线上网卡接入Internet网络。3G无线上网卡选用了华为EC122卡。ARM服务器使用了256 M的SDRAM和2G的NANDFLASH［1］。图2为 ARM 服务器的硬件框图。

图2 服务器硬件框图Fig 2 Hardware frame diagram of the server

3 系统软件设计

3．1 WSNs节点中的软件设计

WSNs节点做为整个系统最基础最重要的一部分主要完成环境数据的采集、部分处理，以及发送。传感器节点上电后，首先进行各项初始化工作，然后判断是否有来自于服务器的配置命令，假若有来自于服务器的控制配置命令，则将配置该命令解析，并且按照该配置命令的工作方式控制节点中的各个模块采集数据，最终将采集到的数据通过Zig Bee无线通信模块发送出去。假若没有来自于服务器的控制命令，节点则按照默认的配置方式或者上一次的配置方式进行环境数据的采集与发送。

3．2 ARM服务器中的软件设计

ARM服务器中的软件采用QT进行设计。ARM服务器做为整个系统的枢纽和数据交换中心，需要完成与传感器网络以及和客户端的通信。服务器中的程序主要完成两项工作。一是将从传感器网络中采集到数据进行解析并且写入数据库中，程序流程图如图3。程序创建了一个名为sensor的数据库，每天监测到的传感器数据都存储在以当天日期为名的表中，程序运行后，每天都将创建一张新的表。二是处理来自于客户端的命令。客户端将会发送配置命令，或者数据查询命令给服务器，服务器将解析并且处理这些命令［5］。

图3 服务器程序流程图Fig 3 Flow chart of the server program

3．3 客户端中的软件设计

客户端做为整个系统的监测和控制终端，主要完成控制命令的发送和数据的监测显示。本设计设计了分别针对PC机和智能手机上的客户端，以便监控人员可以采取多种方式来对整个系统进行监控，程序流程图如图4。监控人员可以在客户端中通过多种方式查看服务器中的监测数据，比如:实时查询、历史查询等，同时也可以通过发送配置命令来控制传感器的工作方式。

4 系统测试结果

测试实验选用8个传感器节点和一个基站，每个节点挂接了1只温湿度传感器，基站通过RS—232和ARM服务器相连接，监控人员通过智能手机客户端或者PC机中的客户端对整个系统进行监控，并可以通过表格或者图形的方式来观察所监测到的数据。系统设置为每一秒钟采集一次数据，监测数据如表1。

图4 客户端程序流程图Fig 4 Flow chart of the client program

表1 监测数据Tab 1 Monitoring data

5 结束语

本文采用ARM11做为服务器，将Zig Bee技术和3G技术相结合，采用C/S的构架，使用现在正流行的智能手机和PC机作为客户端，设计出了一种新型的基于Zig Bee和3G技术的WSNs监控系统，该系统组网方式简便，安全，可靠，功耗低，成本小，容易扩充，实时性强，能够较好地解决WSNs大量信息的采集和实时的监控问题。

［1］ 李红刚，张素萍．基于ARM的智能家居远程监控系统设计［J］．现代电子技术，2009（5）:134－138．

［2］ 鲜晓东，常 超，胡 颖，等．基于WSNs和GSM的室内环境监测预警系统设计［J］．传感器与微系统，2011，30（6）:141－144．

［3］ 王 铭，倪 平．基于3G网络的远程无线综合监控系统［J］．电子技术应用，2011（1）:115－119．

［4］ 谢 飞，刘新生．基于Zig Bee和GPRS网络的系统研究与开发［J］．中国水运，2006（10）:103－105．

［5］ 房 芳，马旭东．基于嵌入式Web技术的监控系统设计与实现［J］．计算机工程，2009（12）:237－239．