基于WiFi-的环境监测系统设计

的环境监测系统设计李山*作者简介：李山，(1985-)，男，主要研究方向：无线通信，宽带移动通信，多媒体通信.E-mail:[e-mail]（北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876）摘要：WiFi(WirelessFidelity)技术具备传输速率高、传播距离远、覆盖范围广等特点，在无线局域网应用中得到了迅猛的发展。本文设计并实现了一种基于Wi-Fi技术的室内环境监测系统。基于Gainspan平台完成处理器模块，电源模块，传感器模块和无线通信通信模块的构建，准确获取温度，湿度，光照等传感器数据，节点与服务器建立连接并完成数据的无线传输，成功地实现了环境信息采集。服务器根据各节点无线信号强度RSSI实现节点的定位，同时以B/S的架构搭建WEB实时观测平台，通过通信网络实时接收传感数据，完成对监测区域内目标的监测、定位及其它相关的应用。结果显示，本文设计的环境监测系统性能稳定，数据准确，具有很好的实用价值和应用前景。关键词：WiFi；无线传感器网络；环境监测；uVelosity中图分类号：TP393WiFibasedenvironmentmonitoringsystemdesignLiShan(SchoolofInformationandCommunicationEngineering,BeijingUniversityofpostsandtelecommunications,Beijing100876)Abstract:WiFi(WirelessFidelity)technologyhasrapiddevelopmentinwirelessLANapplicationswithhightransmissionrate,fartransmissiondistance,andcoveringawiderangeofplaces.ThispaperhascompletedhardwareandsoftwaredesignofakindofWiFitechnologybasedenvironmentmonitoringsystem.Itcompletesprocessormodule,powermodule,sensormoduleandwirelesscommunicationmoduledesignbaseonGainspanplatform.Accesspointcanaccuratelygetenviromentdata,suchastemperature,humidity,lightdata,establishconnectionwiththeserver,andsendenviromentdatatoseverwirelessly.Servercanconstructreal-timemonitoringwebplatforminB/Sartitecture,positoneachnodebasedonRSSIdata,meantimegetenvironmentalinformationbywirelessnetwork,completereal-timemonitoringtargets.Resultsshowthatthisenvironmentalmonitoringsystemworksstableandaccurately,possessesgoodpracticalvalueandapplicationprospect.Keywords:WiFi;WSN;Enviromentmonitoring;uVelosity0引言无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统[1]。由部署在检测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观测者。1系统设计1.1系统框图环境监测系统通过无线传感器网络的方式建立，无线传感器网络是由多个传感器节点布置在一个特定区域内而形成的网络，这些节点具有体积小、价廉、功耗低的特点，它们以特定的协议高效、稳定、可靠地自组织起来，通过协同工作来完成某种特定的任务。各节点通过无线信道组成网络化的分布式嵌入式系统[2]。所示，网络可以分为传感器模块、通信模块和数据处理模块三部分[3]。其中，传感器模块是由部署在某个监测区域内的多个传感器节点及其相互间的信息传输协议组成，能够将区域内的监测数据通过一定的协议进行传输，最终到达汇聚节点接入通信模块；通信模块负责将接收到的传感器数据通过卫星、Internet等通信网络无失真地传送给需要这些数据的用户；数据处理模块与通信模块相连，通过通信网络接收传感数据，完成对监测区域内目标的监测、跟踪及其它相关的应用，此模块的功能可在客户端或者服务器上实现，根据具体的应用执行相应的操作。1.2环境节点模块框图节点主要由电源供应模块、处理器模块、传感器模块和无线通信模块四部分组成[4]，如图2所示，图2环境节点模块框图电源供应模块为传感器节点提供正常运行所需要的能量，通常采用小型电池供电；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其它节点发来的数据；传感器模块负责监测区域内信息的采集和数据转换，如温湿度、光照、加速度等传感器的信息经过转换，得到各种传感器的数字信息，供处理器模块进行处理；无线通信模块负责与其它传感器节点进行无线通信，交换控制信息和收发所采集到的数据。2硬件设计本课题需要完成基于Wi-Fi的无线传感器网络节点的设计与制作，并以有无线的方式为上层应用提供定位所需要的RSSI值、温湿度、光照、加速度等多种传感器参数值。设计此传感器网络的硬件平台[5],如图3所示，是一个高度集成、超低功耗的无线片上系统，它包含一个802.11射频前端、媒体控制器（MAC）和基带处理器，片上Flash和片上SRAM，一个应用处理器和丰富的I/O外设。选用GS1010作为此设计方案的基础，它将两个ARM732位微处理器，384K闪存，224KSRAM，多种外围电路，A/D，RTC和802.11无线芯片等全部设计成一只非常小的微型单芯片当中，真正实现了Wi-Fi的单片机化、无线化、微型化，这样可以使得我们采用GS1010来设计微型的无线传感器节点，以及像信用卡一样薄的微型RFID电子标签。GS1010将IEEE802.11b/g需要的高频部分电路全部集成到了电路内部，从GS1010高频输出到天线之间，只需要一个滤波器件，就可以进行无线网络相关的设计。2.2传感器模块2.2.1温湿度传感器模块本设计中采用瑞士Sensirion公司生产的SHT11数字式温湿度传感器，SHT11工作电压范围2.4~5.5V，通过串行时钟线SCK和串行数据线SDA与GS1010的GPIO口相连进行通信。应用GS1010的A53和A57管脚进行编程操作，实现对SHT11的控制，以读写温湿度的数据。以湿度测量为例，测量命令的时序如图4所示。图4SHT11湿度测量命令时序图芯片，TSL2550的是一种压缩扩展型A/D转换器，分辨率为l2位，由于采用了积分转换技术，在测量交流电灯的光线时不会发生抖动，提高了测量的稳定性。该器件主要性能参数如下：每通道转换时间400ms，工作电压为2.7V~5.5V，工作电流0.35mA，静态电流10uA，工作温度范围-25~85℃。这种器件采用SOIC-8封装，符合SMBus规范V1.1和V2.0的要求，可与GS1010主控制器的I2C接口直接相连。2.2.3加速度传感器模块本设计中的加速度传感器采用AnalogDevice公司的ADXL202JE双轴加速度传感器，此芯片可测量动态加速度(如振动加速度)和静态加速度(如重力加速度)等，工作电压3V~5.25V，输出周期可调的脉宽调制信号，可以直接与微控制器或计数器连接。2.3无线通信模块GS1010内部集成了WLAN子系统[6]，应用内部2.45GHz的RF收发器连接WLAN网络并实现IEEE802.11b/g标准下的数据通信。GS1010芯片可以采用内部或者外部的功率放大器两种不同的模式，本设计中考虑到节点能耗和设计复杂性等方面，最终确定采用内部功率放大器来驱动RF信号的收发。2.4配置模块配置模块用于对GS1010芯片的编程和调试。GS1010支持有线和无线两种配置模式，在此仅介绍有线模式。有线模式下，应用客户端软件WildConfigurator通过RS-232串口线缆连接GS1010节点，即可进行程序的下载及内存寄存器的配置等操作。其中，RS-232串口线缆采用FTDI公司生产的TTL-232R-3V3，是一种USB转标准TTL电平UART串口的线缆，其各信号的功能描述见表1所示。表1串行接口信号描述编号名称类型功能描述1GNDGND设备接地管脚2CTS#Input清除发送控制/握手信号3VCCOutput+5V电压输出4TXDOutput发送异步数据5RXDInput接收异步数据6RTS#Output请求发送控制/握手信号配置接口与GS1010的连接原理图见图5，C340.1uFR241KD3MMSZ3V3T1GGND1CTS#2VCC3TXD4RXD5RTS#6P1UARTC38C39R113401234J1VDD_IOuart0_rts/gpio25B30uart0_tx/gpio1A70uart0_cts/gpio24A72uart0_rx/gpio0A71vdd_rtcB15vdd_rtcB14uart1_rts/gpio27A67U1GS1010VCCA1VCCB8B17B26DIR5A12A23GND4U15SN74LVC2T45VDD_IOVDD_IOVDD_3-3VC48C49VCCA1VCCB8B17B26DIR5A12A23GND4U16SN74LVC2T45VDD_IOVDD3-3V图5配置接口原理图简介本设计中，采用GreenHills公司开发的uVelOSity实时操作系统(RealTimeOperatingSystem,RTOS），底层编写传感器设备驱动，上层嵌入IP网络协议栈和系统I/O调用，从而在顶层做相关的应用编程，最终通过网络节点为应用程序提供诸如温湿度、光照、加速度等传感器参数及无线信号强度RSSI等参数信息。3.2软件分布如图6所示，节点软件分为WLAN和APP两部分。其中，WLAN软件部分包括IEEE802.11b/g标准的物理层、MAC层协议栈和系统的控制等；APP软件即面向用户的应用软件，包括一整套的应用开发工具，如uVelOSity操作系统、网络协议栈和GainSpan提供的节点软件等。系统上电后，BootROM中的程序首先运行，经过系统监测和初始化之后，启动WLANCPU执行与WLAN相关的操作，执行完毕后，向APPCPU发出复位型号，启动APP程序并初始化uVelOSity操作系统内核，然后即由操作系统来控制和管理应用程序的执行。图6传感器网络节点软件分布3.3软件流程图（1）节点第一次上电后，执行冷启动(coldboot)，在应用设计中冷启动往往只执行一次，除非切断电源重新加电。冷启动后，系统初始化，然后加载Flash当中的