面向水环境监测的WSN网关设计_蒋鹏

—213—面向水环境监测的WSN 网关设计蒋 鹏1，何志业1，王浙明2(1. 杭州电子科技大学信息与控制研究所，杭州 310018；2. 浙江省环境保护科学设计研究院，杭州 310007)摘 要：针对传统水环境监测存在周期长、水域范围有限的缺点，提出一种基于无线传感器网络的水环境监测系统，对其无线网关的软硬件系统进行设计。

该网关采用ZigBee 和GPRS 无线传输技术，实现数据监测节点与远程监测中心的双向高效无线通信。

实验结果表明，应用该网关的系统稳定可靠，可满足水环境远程实时监测的要求，具有广泛的应用前景。

关键词：无线传感器网络；水环境监测；无线网关；ZigBee 技术Design of WSN Gateway for Water Environment MonitoringJIANG Peng 1, HE Zhi-ye 1, WANG Zhe-ming 2(1. Institute of Information and Control, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018; 2. Environmental Science Research & Design Institute of Zhejiang Province, Hangzhou 310007)【Abstract 】Aiming at the shortages of long monitoring cycle and limited monitoring scale in traditional water environment monitoring, this paper proposes a water environment monitoring system based on Wireless Sensor Network(WSN), and designs hardware and software system of its wireless gateway. This gateway uses ZigBee and GPRS wireless transmission technology, realizes data bidirectional communication between data monitoring nodes and remote monitoring center. Experimental results show that the system which applies this gateway is stably and reliably, it can well meet the need of remote real time water environment monitoring, it also has wide application prospect.【Key words 】Wireless Sensor Network(WSN); water environment monitoring; wireless gateway; ZigBee technology计 算 机 工 程Computer Engineering 第36卷 第16期Vol.36 No.16 2010年8月August 2010·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2010)16—0213—03文献标识码：A中图分类号：TP3931 概述水环境监测是水资源管理与保护的重要信息来源。

传统水环境监测手段存在劳动强度大、系统成本高等缺点[1]。

基于无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)构建的水环境监测系统具有节点自组网、监测范围广、系统成本低以及对生态环境影响小等优点，易于实现对水库等大范围水 域的监测。

2 基于无线传感器网络的水环境监测系统基于无线传感器网络的水环境监测系统包括数据监测节点、无线网关、远程监测中心等3个部分[2]，如图1所示。

图1 基于无线传感器网络的水环境监测系统ZigBee 具有功耗低、自组织、可靠性高等优点，很适合作为监测子网间的数据通信方式。

GPRS 具有成本低、传送带宽较高、永远在线等优势。

网关在无线传感器网络中实现2种不同网络之间的协议解析、处理、转发功能[3]。

在基于WSN 的水环境监测系统中至关重要。

本文设计了一种面向水环境监测的无线传感器网络网关。

3 无线网关的总体设计3.1 系统主控制器的选型在整个水环境监测系统中，无线网关将来自远程监测中心的命令传送给指定的数据监测节点，同时把数据监测节点对该命令的响应回传至远程监测中心。

无线网关还需响应来自远程监测中心对其自身状态的设置及查询，并将结果上传至远程监测中心。

基于传感器网络的水环境监测系统处理和传输的数据量较大，对数据传输的可靠性、安全性要求较高。

无线网关需在野外工作，CPU 的功耗及稳定性至关重要。

本系统采用内部资源丰富的16位超低功耗单片机MSP430F1611[4]。

3.2 系统总体结构设计系统硬件采用MSP430F1611作为主处理器，实现整个无线网关的控制和命令处理；采用CC2430作为协处理器，实现无线网关与数据监测子网间基于ZigBee 协议的数据通信；基金项目：国家自然科学基金资助项目(NSFC-60604024)；浙江省科技计划基金资助重点项目(2008C23097)；浙江省教育厅科研计划基金资助项目(20060246)；浙江省高校青年教师基金资助项目(ZX0 60221)；杭州市科技局科技计划基金资助项目(20091133B03) 作者简介：蒋 鹏(1975－)，男，副教授、博士，主研方向：传感器网络，嵌入式系统及其应用，智能仪表；何志业，硕士研究生； 王浙明，高级工程师、硕士收稿日期：2010-02-28 E-mail ：pjiang@采用GPRS模块，实现网关与监测中心间的远程数据通信。

系统硬件结构如图2所示；系统软件采用µC/OS-II嵌入式操作系统作为MSP430F 1611的软件平台，提高系统的实时性能；采用成都无线龙科技的ZigBee 2004协议栈作为CC2430模块的软件平台。

图2 系统硬件结构4 无线网关的系统硬件设计4.1 基于CC2430的ZigBee模块接口电路设计CC2430是集成了一个高性能 2.4 GHz直接序列扩频(DSSS)射频收发器和一颗小巧高效的工业级8051控制器的SOC芯片。

ZigBee模块与MSP430F1611的UART 1连接，通过串口连接。

4.2 GPRS模块接口电路设计GPRS是利用GSM网络中未使用的TDMA信道，以封包的形式，提供中速的数据传输。

GPRS Modem与MSP430F1611通过串口连接，MSP430F 611通过向GPRS Modem发送AT指令，控制GPRS Modem 实现GPRS方式的数据收发。

4.3 电源模块设计在PRS Modem拨号时的峰值电流较大且通信时会对其他模块产生较强的干扰，电源设计采用大功率电源芯片隔离的方式，以减少GPRS Modem对其他部分的干扰。

模块采用LM2596和TPS79533双电源设计。

由于无线网关工作于野外，因此外部电源采用6节镍氢电池(7.2 V)或2节锂电池(7.4 V)的供电方式。

4.4 其他模块设计LCD模块采用LCM19264。

由于MSP430F1611单片机未开放系统总线，因此LCM19264与MSP430的通用I/O口直接连接。

采用8 Mb/s SPI接口的AT45DB081D作为无线网关的掉电不丢失存储单元。

JTAG电路采用TI推荐的电路设计。

由于按键数目不多，因此采用独立键盘，简化系统硬件设计。

5 无线网关的系统软件设计软件系统主要采用C语言编程，在移植µC/OS-II时，与MSP430硬件相关的几个函数采用汇编语言编写。

由于采用双处理器结构，因此软件设计包括CC2430模块软件设计和MSP430模块软件设计。

5.1 CC2430模块软件设计CC2430模块软件由板级支持包BSP、ZigBee协议栈和应用程序组成。

CC2430模块应用程序的主要任务是：调用ZigBee协议栈提供的应用程序接口和BSP接口，建立并维护网络，同时完成MSP430与ZigBee网络的透明数据传输。

CC2430模块不处理数据，只负责转发数据，其中，串口数据收发均通过串口中断进行。

应用级程序的流程如图3所示。

(a)网络协调器主程序(b)loop函数实现(c)串口接收中断(d)ZigBee收包回调函数图3 应用级程序流程5.2 MSP430模块软件设计为了提高系统的可靠性和实时性，简化了程序设计，MSP430中移植了µC/OS-II嵌入式操作系统。

MSP430F1611 BSP主要包括时钟、串口、DMA和定时器等硬件驱动程序。

—214—µC/OS-II需要定时中断作为其时钟节拍中断。

定时中断可由MSP430F1611的看门狗定时器产生，定时周期设为32 ms。

MSP430软件模块由6个任务及相应的串口收发中断服务子程序组成，主要任务有：按键扫描任务，液晶显示任务，ZigBee模块通信任务，GPRS模块通信任务，数据处理任务，Flash读写任务。

其他任务和中断服务子程序将收到的数据或按键等消息交付给数据处理任务，然后由数据处理任务通知其他任务处理。

各个任务及相应串口收发中断服务子程序间的通信，如图4所示。

图4 各个任务间的通信(1)GPRS模块通信任务GPRS模块通信任务负责建立GPRS网络并通过GPRS Modem与远程监测中心收发数据。

GPRS Modem由MSP430的串口驱动，并通过AT指令控制。

若GPRS Modem在1 min 内无数据收发，则将自动进入休眠状态。

因此，无线网关未收到远程监测中心断开GPRS连接的请求前，需定期(如50 s)发送一个心跳包给远程监测中心，以保持GPRS连接。

(2)ZigBee模块通信任务ZigBee模块通信任务完成网关与数据监测节点的数据通信。

由于CC2430在运行ZigBee2004协议栈期间周期性地关闭全局中断，且MSP430和CC2430采用2线制串口通信，因此当CC2430关闭全局中断时，若MSP430向CC2430发送一帧数据，则会导致CC2430无法及时响应中断而丢失数据。

由于CC2430采用透明传输方式，因此为了解决上述问题，只能采用重传机制，即当无线网关与某个监测节点通信时，必须等待对方返回确认信息，才允许继续通信。