与仪器仪表 Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ
多网融合的环境状况远程实时监测系统设计
朱向庆，陈志雄
（嘉应学院电子信息工程学院，广东梅州５１４０１５）
摘要：提出一种融合Ａｄ ｈｏｃ网络、ＧＰＲＳ／ＧＳＭ和ＰＳＴＮ的远程分布式环境状况实时监测系统设
计方案。由ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准组建的Ａｄ ｈｏｃ无线传感器网络负责监测环境温湿度、光照度、煤气及
ＣＯ浓度等；采用ＧＰＲＳ／ＧＳＭ模块和嵌入式Ｍｏｄｅｍ构造无线网关，实现Ａｄ ｈｏｅ网络与ＧＰＲＳ／ＧＳＭ和
ＰＳＴＮ的无缝连接，将无线传感器网络采集的数据发送到手机或远端计算机。系统具有小、远和散的特
点，可实现多点分布、中央管理、多层报警和远程监测。
关键词：无线传感器网络；远程监测；Ａｄ ｈｏｃ；ＧＰＲＳ／ＧＳＭ；ＰＳＴＮ
中图分类号：ＴＰ２７４＋．５ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５８－７９９８（２０１０）０７－００９０－０４
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｍｕｌｔｉ－ｎｅｔｗｏｒｋ ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ
ＺＨＵ Ｘｉａｎｇ Ｑｉｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｈｉ Ｘｉｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｎｉａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｙｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍｅｉｚｈｏｕ ５１４０１５，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｅｍｏｔｅ ｒｅａｌ—ｔｉｉｎｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｍｅｒｇｉｎｇ Ａｄ ｈｏｃ ｎｅｔｗｏｒｋ，ＧＰＲＳ／ＧＳＭ ａｎｄ ＰＳＴＮ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ａｄ ｈｏｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｌ—ｎｅｔｗｏｒｋ ｆ ＷＳＮ １ ｉＳ ｂｕｉｌｔ ｂｙ ＩＥＥＥ ８０２．１ ５．４ ｔｏ ｄｅｔｅｃｔ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｔａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ、ｈｕｍｉｄｉ— ｔｙ、ｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ、ｇａｓ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｍｏｎｏｘｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｅｒｅ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ ｉｓ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ ｗｉｔｈ ＧＰＲＳ／ＧＳＭ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｍｏｄｅｍ．ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｓｅａｍｌｅｓｓ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ａｈ ｈｏｅ ｎｅｔｗｏｒｋ、ＧＰＲＳ／ＧＳＭ ａｎｄ ＰＳＴＮ ｔｒａｎｓｍｉｔｓ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ＷＳＮ ｔｏ ｍｏｂｉｌｅ ａｎｄ
ｒｅｍｏｔｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｔｈｅ ｃｈａｒａｅｔｅｒｉｓｔｉｅｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ、ｒｅｍｏｔｅ ａｎｄ ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ，ｉｔ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｍｕｌｔｉｐｏｉｎｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ、ｃｅｎｔｒａｌ
ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，ｍｕｌｔｉｐｌｅ ａｌａｒｍ ａｎｄ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：Ａｄ ｈｏｃ：ＧＰＲＳ／ＧＳＭ：ＰＳＴＮ
环境状况在工农业生产、国民生活等领域的重要作
用日益显著，如何对其进行有效监测是一项有意义的课 题。利用有线网络对环境状况近距离监测是传统的手
段，它存在布线复杂、困难，通信距离受限等缺点。随着
无线通信、网络技术的发展，检测技术自动化与通信技
术的结合使远程分布式实时监测成为可能。
融合Ａｄ ｈｏｅ网络、ＧＰＲＳ／ＧＳＭ和ＰＳＴＮ的远程分布
式环境状况监测系统能够充分发挥各个网络的优点，将
无线传感器网络ＷＳＮ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋ）监测的数
据传输给远程终端，基本不存在费用和距离的限制。
１系统总体结构
多网融合的环境状况远程实时监测系统组成原理
如图１所示，它主要由三部分组成：Ａｄ ｈｏｅ网络、网关
基金项目：梅州市科学技术局、嘉应学院联合自然科学研究重点项【］ （２０ｏ９ＫＪｚｏ４）；梅州市科技计划重点项目（２００９Ａ２１） ９０ 欢迎网上投稿ＷＷＷ．ｃｈｉｎａａｅｔ．ｔｏｍ 图１系统组成框图
和远程终端。Ａｄ ｈｏｃ ＷＳＮ是一个分布式监测系统，实现
环境状况的数据采集；网关完成Ａｄ ｈｏｃ网络与ＧＰＲＳ／
《电子技术应用》２０１
０年第７期 ＧＳＭ和ＰＳＴＮ的无缝连接，将ＷＳＮ的数据发送到远端；
远程终端由手机和普通计算机组成，用于监测现场状况。
Ａｄ ｈｏｅ网络是由一组带有无线收发装置的移动终
端组成的一个多跳临时性自治系统，具有无中心、自组
织、多跳路由和动态拓扑的特点，适合组建大规模分布
』＼＝ＷＳＮ。无线传感器监测节点间进行数据通信时，ＭＡＣ
采用ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准。该标准定义一种供廉价的
定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗
的低速率无线连接技术。节点间进行数据传输时，网络
层使用ＡＯＤＶｊｒ路由算法，ＡＯＤＶｊｒ算法是针对ＡＯＤＶ算
法的改进，考虑到ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准在节能、成本、应
用方便性等因素，简化ＡＯＤＶ的一些特点，但是仍然保 持ＡＯＤＶ的原始功能【 。采用ＡＯＤｖｊｒ算法的好处，就是
无线监测节点每次与网关通信时，总能找到一条最佳路
径；当网络中个别节点处于睡眠或停止工作时，仍不影 响其他节点与网关的通信。
通用分组无线业务ＧＰＲＳ（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｐａｃｋｅｔ Ｒａｄｉｏ Ｓｅｒｖｉｃｅ）
是在现有的ＧＳＭ系统上发展出来的一种新的分组数据 承载业务，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量
的数据传输。公共交换电话网ＰＳＴＮ（Ｐｕｂｌｉｃ Ｓｗｉｔｃｈｅｄ
Ｔｅｌｅｐｈｏｎｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）是基于标准电话线路的电路交换服
务，用来作为连接远程端点的方法，其特点是分布广泛，
通信费用低廉。
２硬件设计
设计的硬件系统主要包括采集环境状况的无线监 测节点和进行多网融合的网关两大部分。
２．１无线监测节点
无线监测节点采用“ＭＣＵ＋ＲＦ＋Ｓｅｎｓｏｒ”的模式，如图２
所示。单片机采用宏晶科技公司生产的ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２，
复位电路
振荡电路
蜂鸣器 卜
独立按键 ４ 发光二极管［
＋５ｖ电源ｌ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２ ＲＳＴ Ｐ３．４ ＸＴＡＬ２ ＸＴＡＬｌ Ｐ３．５ Ｐ２ ４ Ｐ２．７～Ｐ２ ５ Ｐｌ ７—Ｐ１．４ Ｐ０．７－ＰＯ０
Ｐ２．３ Ｐ２．２
Ｖｃｃ ＧＮＤ ＡＤ０ ＡＤｌ ＡＤ２ ＡＤ３
ＲＸＤ ＴＸＤ 二工二二［ 电平转换 二工二二［二 ＴＸＤ０ ＲＸＤＯ ＶｃＣ ＤＳ１８Ｂ２０ 温度传感器
ＤＨＴｌ１ 温湿度传感器
１６０２液晶
Ｈ 壁皇堕 ！：！ 号 蓟孺丽 嚣
砺蕊而
ＲＦ＿ＧＮＤＨ＋３ ３Ｖ电源 Ａ ＧＮＤＨ ●。‘‘‘。‘ 。 。’。。。。。＿‘‘ ‘一 ｒ—————ｌ Ｉ ｌ ｒ—————］ ｝＋５ｖ Ｈ ｖＩＮ ＶＯＵＴＨ＋３．３Ｖ ｌ Ｌ————————Ｊ ｌ ｌ Ｌ———————＿Ｊ ＬＭｌｌｌ７－３ ３ 图２无线监测节点框图
《电子技术应用》２０１０年第７期 它有两个串口，片内集成６０ ＫＢ的Ｆｌａｓｈ存储器，ｌ ２８０ Ｂ
的数据存储器，ｌ ＫＢ的ＥＥＰＲＯＭ，８路ｌＯ位高速ＡＩＤ转
换器１２１。无线模块采用Ｈｅｌｉｃｏｍｍ公司的ＩＰ—Ｌｉｎｋ １２２１—
２０３４，该模块符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准，工作频率是２．４ ＧＨｚ，
属免许可证的ＩＳＭ频段。ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２与ＩＰ—Ｌｉｎｋ１２２１—
２０３４之间通过串口进行通信，前者的串口属５ Ｖ ｒｒＩ’Ｌ电
平，后者的串口是３．３ Ｖ １丫ｒＬ电平，两者连接时要进行
电平转换。 传感器主要用烟雾传感器ＭＱ一２、煤气传感器ＭＱ一５、
ＣＯ传感器ＭＱ一９、Ｈａｍａｍａｔｓｕ公司的光敏电阻Ｐ１２０１—
０４，以及奥松公司的单总线数字温湿度传感器ＤＨＴ１ｌ、
Ｄａｌｌａｓ公司的单总线数字温度传感器ＤＳ１８Ｂ２０。光照度、 烟雾、煤气和ＣＯ传感器输出的模拟信号经信号调理电
路后，直接送至ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机进行转换。
发光二极管主要用于指示无线监测节点的工作状 态；１６０２液晶用于显示监测结果，当系统正常工作时，
可以关闭液晶以节约电能；独立按键主要用于设置环境
状况的报警上下限；当环境状况超过报警门限时，蜂鸣 器将发声报警。
２．２网关 网关的结构如图３所示，它主要实现Ａｄ ｈｏｃ网络和
ＧＰＲＳ／ＧＳＭ及ＰＳＴＮ的连接，将ＷＳＮ采集到的数据定时
报告给远端控制中心或手机。如果现场环境指标超标，
也可以立刻上报。同时，远端控制中心或手机可以主动
查询ＷＳＮ的状况。 网关主要由两个ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２单片机作为控制器，
ＶＩＮＶＯＵＴ
Ｉ ＨＩＮ ＯＵＴ Ｉ．．．．． ，，，．．．．．．．．～ ＳＴＣ１２Ｃ５Ａ６０Ｓ２—１ ＬＭ２９４１ Ｐ２．７～Ｐ２．０ Ｐ０．５￣ＰＯ ０
复位 电路
复位 电路 Ｍ２３Ｇ ＰＷＯＮ ＬＥＤＡ ＡＮＴ
ＶＲＳＩＭ ＶＢＡＴＢＢ ＳＩＭ＿ＣＬＫ ＶＢＡＴＲＦ ＳＩＭ１０ ＳＩＭ ＲＳＴ ＴＸＤ ＲＸＤ ＤＳＲ ＤＴＲ
ＲＸＤ ＴＸＤ Ｐｌ ０ 阿
Ｍｌｓｏ ｘＴＡ Ｌｌ
ｘ ：
Ｐ２．４ ＲＸＤ２ ＴＸＤ２ 接地 二［二 ＧＮＤ Ｖｃｃ Ｖｐｐ ＣＬＫ 【ｏ ＲＳＴ ＳＩＭ卡
振荡电路
ＫＸＤ ＴＸＤ ｌ—— ＲＩＮＧ ＴＰ ＧＮ ：！ 竺 Ｄ广一］
ＴＸＤＯ ＲＸＤ０ Ｉ Ｖｃｃ — ＲＦＧＮＤＨ＋３ ３ｖ电源 Ａ ＧＮＤＨ
图３网关结构框图 ＲＪｌ】】ｅＭｏｄｅｍ ．．．．．．．．．．Ｌ
９１ 呈Ｍ ２～眦 一一一
一