基于3G网络的无线环境监控系统.docx

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基于3G网络的无线环境监控系统

基于3G网络的无线环境监控系统

摘要

“基于3G网络的无线环境监控系统”主要利用了3G技术、Zigbee技术、和新型传感技术，采用嵌入式系统设计以实现对机房内每个区域和角落的综合监控，如温度、视频、电气设备使用情况，本文将就温度检测为例说明此项监控系统。

由于其具有良好的适应性以及相对低廉的价格，并且随着3G多功能智能手机的应用的普及，此类环境监控系统将有广阔的市场前景。

本文主要介绍了系统软硬件的设计以及通信技术，比如3G、Zigbee等。

硬件设计主要分为两大部分：

传感器部分以及ARM中央服务器部分。

传感器部分采用CC2530作为微控制器，主要包括数据收集模块、存储模块以及通信模块。

通信模块选用了Zigbee无线通信技术。

ARM中央服务器部分采用S3C2440作为芯片，主要包含了串口电路、网口电路、存储电路等。

软件设计首先对整体温度监控系统的软件流程进行设计，然后分别从无线传感网络和ARM中央服务器两个方面，从数据接收和处理两个角度根据相应功能需求进行了系统的软件设计。

整个系统实现了温度数据的采集、存储、简单处理以及转发。

关键字：

3G，环境监控，嵌入式系统，无线传感网络，Zigbee

Wirelessenvironmentmonitoringsystembasedon3Gnetwork

Abstract

Themainuseof"Wirelessenvironmentmonitoringsystembasedon3Gnetwork"arethe3Gtechnology,Zigbeetechnology,andnewsensingtechnology.Inordertorealizethedesignofthecomprehensivemonitoring,suchastemperature,videoandtheuseofelectricalequipmentofeachareaandcornerincomputerroom,theembeddedsystemcanbeused.Thetemperaturewillbetakenasanexampleformonitoringsysteminthispaper.Asthewidelyappliedof3Gmultifunctionalsmartphones,suchenvironmentmonitoringsystemwillhaveabroadmarketprospectbecauseofitsgoodadaptabilityandrelativelycheaperprice.

Thispapermainlyintroducesthedesignofhardwareandsoftwareandcommunicationtechnologies,suchas3G,Zigbeeetc.Thehardwaredesignmainlydividesintotwomajorparts:

thesensorpartandARMpart.ThesensorusingCC2530asthemicrocontroller,includingdatacollectionmodule,storagemoduleandcommunicationmodule.CommunicationmoduleadoptsZigbeewirelesscommunicationtechnology.ARMcentralserverpartadoptsS3C2440asthemainchip,includesaserialcircuit,interfacecircuit,storagecircuit.Firstly,theoveralltemperaturemonitoringandcontrolsystemsoftwaredesign.Thenfromtwoanglesofdatareceivingandprocessingaccordingtothefunctionalrequirementsofthesystemsoftwaredesign.Thewholesystemtoachievethefollowingfunctions,includingtemperaturedatacollection,storage,simpleprocessingandforwarding.

Keywords:

3G;environmentmonitoring;embeddedsystem;wirelesssensornetwork;Zigbee

目录

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2现状及存在的问题1

1.3研究的意义及应用情况2

1.4本文的主要工作及章节安排3

第二章机房环境监控基本技术概述4

2.13G技术4

2.1.13G技术的概述4

2.1.2WCDMA无线网络的设计及机制5

2.1.33G网络系统的主要特征5

2.2嵌入式系统技术5

2.2.1嵌入式系统技术概述5

2.2.2嵌入式系统技术的主要特征6

2.3Zigbee技术6

2.3.1Zigbee技术基本概述6

2.3.2Zigbee技术的特点7

2.3.3Zigbee技术的发展前景8

第三章系统需求分析与硬件设计9

3.1系统方案与整体体系结构9

3.2模块构成与功能描述10

3.3部分硬件电路设计11

3.3.1无线传感器网络11

3.3.2ARM中央服务器15

3.3.3电源及用户终端15

第四章系统整体软件架构22

4.1无线传感器网络22

4.1.1传感节点22

4.1.2处理器模块23

4.2ARM中央服务器24

第五章总结与展望26

致谢27

参考文献28

第一章绪论

1.1研究背景

在如今信息化高速发展的时代，原有的机房环境监控系统已不能满足计算机和信息设备的保障要求，正面临着新一轮的更新换代。

机房的运行状况是信息化建设中信息交换管理的核心，若其中所有设备不能保证时时刻刻正常的运转，就会对数据传输、存储及系统运行构成威胁，进而影响到全局系统的运行。

若机房出现的状况不能被及时发现和处理，就会造成硬件设备的损坏，影响到业务系统的运转，产生的经济损失将不可估量。

传统的人为定时巡视管理制度和现有的偏向于硬件与传感结合方式的环境监测的时效性较差，且会造成很多不必要的人力和物力损失。

环境监控系统的内容包括配电系统、UPS电源、空调设备、机房温湿度、视频监控、漏水检测、烟雾报警、门禁监控等。

环境监控系统经历了模拟时代、半数字时代、全数字时代到如今的无线时代的变革，有效利用3G网络是我们必须紧跟的发展趋势。

随着3G网络在中国的发展和普及，以及3G终端设备的大众化的趋势，基于3G网络的行业应用产品、系统和设备也大批量涌现。

利用移动终端的普及和便利，使其作为接收和控制的工具，能更好的实现对机房环境监控系统的管理、提高机房安全性和减少损失。

经过网络结构的优化，机房设备必将向智能化、模块化、综合化和高效化发展，无线3G网络以其高度的灵活性、移动性和便捷性等特性成为了最佳的网络解决方案。

1.2现状及存在的问题

目前机房环境监控系统对值班人员的依赖性比较强，若值班人员出现困倦、离岗等情况则很容易发生安全隐患。

特别是针对大型机房的监控/监视功能、告警功能、配置管理和安全管理等，如今的环境监控设备和基础网络速度已远远不能够满足要求。

如何改进传统的声光报警的方式，如何实现实时的视频监控，如何通过短信的收发来实现移动终端对设备的及时控制都是需要解决的问题。

随着自动摄像机、闭路电视的出现，模拟视频监控系统也随之出现。

传统的

有线视频监控模式安装麻烦、使用不方便，难以实现远程控制，而无线视频监控模式就能够解决这些问题成为如今监控领域的发展趋势。

无线监控方案较以往的传统有线监控方案具有综合成本低、组网灵活、可扩展性好、维护费用低等优势。

然而，无线视频监控具有时变、易错和带宽受限等缺点，如何提高传输的可靠性和无线信道的容量，尽量大的减少无线资源的浪费变成了如今环境监控领域亟待解决的问题。

1.3研究的意义及应用情况

在如今无线网络和智能手机终端广泛应用的大环境下，将无线监控技术应用到机房环境监控系统中已成为必然的发展趋势。

随着无线传输技术、多媒体通信和视频监控技术的不断发展，有线网络模式渐渐不能够满足机房设备的监控需求。

特别是在网络化的现代，有线模拟监控系统的缺点越来越明显。

有线网络监控模式在一些特别的设备机房（如远距离、设备分散、周围环境条件不允许等）有一定的局限性，建设和维护的成本高，对工作人员的依赖性强，不易于管理，常常会因为小的差错和失误造成大的损失，事故处理不能及时有效。

这一系列的局限性和高成本，对企业的发展和工作人员的工作效率都是一种延误。

无线网络具有良好的机动性、可扩展性、灵活性且综合成本低（只需一次性投入），弥补了使用有线网络的不足。

经历了传统的模拟视频监控、基于计算机的数字网络监控再到21世纪今天的嵌入式网络监控系统，机房环境监控系统在稳定性、可靠性、实时性和控制成本等方面一步步趋于完善。

嵌入式系统是计算机技术、半导体技术及机械技术等和各个行业具体结合的产物，是一个以计算机技术为基础，以应用为中心，软件硬件可剪裁的技术密集、不断创新的高集成度的知识集成系统，它操作界面简单易用，应用十分广泛。

嵌入式系统支持多种网络协议，可以通过浏览器远程访问，并可通过设置参数实现实时监控。

目前此项技术水平最高的是美国，国内的监控水平则受IC集成电路设计制造能力的限制。

如今电子计算机和各种移动终端，3G网络通信技术和图像压缩处理技术发展迅速，利用3G终端实现实时监控已成为必然的趋势。

随着wap及其他互联网技术的成熟，现在运营商和诸如一些系统方案提供商的界限越来越迷糊，3G智能手机的功能越来越多样化，应用也越来越普遍。

基于3G网络的手机实现对突

发状况的信息接收和实时控制，并通过手机观看机房的视频监控已应用于很多企事业单位。

嵌入式系统软件的出现推动了3G网络的发展和应用，产生了很多可应用于各种行业的应用产品终端，有效地利用了3G资源优势，提高了各单位工作人员的业务办理效率。

为节约大量的人力和维护的成本，改进无线环境监控系统成为了推动我国科技和经济快速发展的迫不及待的任务。

1.4本文的主要工作及章节安排

本论文对基于3G网络无线环境监控系统的主要技术和功能应用进行了较为全面的研究，结合传感器实现对机房环境指标的监测和控制。

本文首先对现有环境监控系统的限制性进行了分析，结合如今发展起来的3G网络技术、嵌入式系统技术、Zigbee技术等，并利用如今越来越普及的3G终端对原有机房环境监控系统加以改进。

针对现有的环境监控系统的技术存在的问题，利用现有的技术提出解决方案，并设计实现。

本文共分为六个章节，组织结构如下：

第一章为绪论，主要介绍了环境监控系统的研究背景、现状及存在的问题、研究的意义及应用情况以及对本论文的工作介绍和章节安排。

第二章为机房环境监控技术概述，主要对机房环境监控技术中用到的3G技术、嵌入式系统技术和Zigbee技术做了简单的概述及特征分析。

第三章为系统需求分析与硬件设计，主要对机房环境监控系统的功能需求和整体系统模块做了规划和设计，系统的硬件设计部分主要为系统的整体硬件架构设计和各模块设计及需求分析。

第四章为系统整体软件架构，主要从系统对温度状况的数据采集和处理两个环节对系统进行软件的设计。

第五章为总结与展望

第六章为致谢

第二章机房环境监控基本技术概述

机房环境监控技术是集3G网络技术、嵌入式系统技术、视频监控技术和智能控制等于一体的综合技术。

本章主要介绍相关的关键技术。

2.13G技术

2.1.13G技术的概述

通信行业正处在一个新的转折时期，在技术、网络、业务和运营模式方面都经历着前所未有的深刻变革，电路交换技术与分组交换技术趋于融合。

目前3G网络成为了世界上的流行趋势，建设正在如火如荼的展开。

我国的3G网络主要分别为中国电信的cdma2000、中国联通的wcdma和中国移动的TD-SCDMA，其中TD-SCDMA为中国自主知识产权的3G技术。

本文主要介绍和应用的是WCDMA技术的3G网络，wcdma是3G网络的主流，目前全球89%的用户使用的是此网络，技术也最成熟，无论从运营商数量还是网络数量上来看，都呈现出快速增长的趋势。

WCDMA无线网络主要由基站（NodeB）、基站控制器（RNC）和传输网络组成（如图1所示）。

RNC负责控制NodeB，承担无线资源的管理和调度工作，并通过Iu接口与核心网CN连接；而NodeB提供无线资源，通过空中接口Uu与终端UE连接，是终端接入网络的门户[1]。

图1WCDMA无线网络结构

2.1.2WCDMA无线网络的设计及机制

移动通信系统多采用800MHz以上的电磁波做载波，频率较高，传播的方式主要是直射波、反射波以及它们的合成波。

影响接收信号强度的主要因素有：

空间效应、阴影衰减和瑞利衰落，对抗瑞利衰落是移动通信系统的主要课题。

复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响。

终端UE有两种工作模式：

空闲模式和连接模式。

UE开机后，直接进入空闲模式；RRC连接一旦建立，UE就进入连接模式。

当RRC连接释放或RRC连接失败时，UE离开连接模式，返回空闲模式。

连接模式有4种状态，分别是CELL-DCH，CELL-FACH和URA-PCH状态，状态之间可以互相转换。

在空闲模式下UE经历3个过程：

PLMN选择和重选、小区选择和重选以及位置登记。

在小区选择的过程中，UE将搜索小区，实现与目标小区的同步，因此小区选择又可称为终端同步。

呼叫流程需要经过建立RRC连接、建立信令连接和建立无线承载3个阶段。

2.1.33G网络系统的主要特征

1）能实现全球漫游，用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务。

2）能提供多种业务，提供话音，可变速率的数据，视频会话等业务特别是多媒体业务。

3）足够的系统容量，强大的用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。

2.2嵌入式系统技术

2.2.1嵌入式系统技术概述

嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机网络，它以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件皆可剪裁，能适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗的严格要求的专用计算机系统。

目前，ARM嵌入式开发在国内非常火爆且应用领域广泛，不同的ARM芯片在不同的应用领域会产生不同的方法和视角。

嵌入式系统包括最基本的三部分：

CPU、RAM和逻辑结构单元（该单元类似于通用机的I/O系统），这三个部分构成了嵌入式系统所需的最小的硬件支持。

操作系统由软件部分和硬件部分组成，软件部分由驱动层、操作系统层和应用层

组成，硬件部分由嵌入式ARM处理器、处理器核构成的芯片、片上系统SOC（SystemOnChip）、可编程片上系统SOPC（SystemOnProgrammableChip）、I/O设备、存储器和人机接口构成[2]。

从物理层面上来理解，嵌入式计算系统可以认为是一个专用的电子系统，这个专用的电子系统通常被包含在一个较复杂的非电子系统中，这就是“嵌入式”的直观意义。

2.2.2嵌入式系统技术的主要特征

专用化是嵌入式系统区别于其他计算系统的重要特征。

计算机体系结构可以根据现在各类计算机系统的应用特征分为如下类型：

计算为主型、控制为主型、数据处理为主型、综合型，其中三种与嵌入式系统相关，核心是微处理器，并有如下共同特征：

专用性：

不同于通用性处理器的大概率事件优先的设计准则，嵌入式微处理器设计的基本准则是应用优先，这一特征决定了嵌入式微处理器的设计特点——软件硬件协调设计。

非自主性：

即本身不具备自主开发能力，终端用户编程受限。

系统集成或应用开发者提供的大多数软件都驻留在ROM上，它对于终端用户是透明的，这也是现有嵌入式系统体系结构上的一大缺陷。

异构性：

嵌入式处理器本质上是异构的，如包含了多种信号的处理（如模拟与数字）。

拓扑结构无规律，软件包含操作系统在内的多种模块，硬件包含处理器、专用逻辑在内的多种组件。

除了上述的共同特征，控制型的体系结构还具有自身的特征：

用于控制的具体算法以布尔运算和位处理为主，算法运算较少；功能及时间上的约束强，而对于计算的要求相对较弱；CPU内部每一次状态的转换一般都有一些运算，但数据量相对较小。

2.3Zigbee技术

2.3.1Zigbee技术基本概述

在蓝牙技术的使用过程中，人们发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。

对工业，家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。

正因此，经过人们长期努力，Zigbee协议在2003年中通过后，于2004正式问世了。

Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网，每一个Zigbee网络数传模块类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内，它们之间可以进行相互通信；每个网络节点间的距离可以从标准的75米，到扩展后的几百米，甚至几公里；另外整个Zigbee网络还可以与现有的其它的各种网络连接。

例如，你可以通过互联网在北京监控云南某地的一个Zigbee控制网络。

不同的是，Zigbee网络主要是为自动化控制数据传输而建立，而移动通信网主要是为语音通信而建立；每个移动基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个Zigbee“基站”却不到1000元人民币;每个Zigbee网络节点不仅本身可以与监控对象，例如传感器连接直接进行数据采集和监控，它还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料;除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。

每个Zigbee网络节点（FFD和RFD）可以可支持多到31个的传感器和受控设备，每一个传感器和受控设备终可以有8种不同的接口方式。

可以采集和传输数字量和模拟量。

Zigbee协议中定义了三种网络拓扑形式，分别为：

星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，分别如图2所示。

图2三种网络拓扑形式

2.3.2Zigbee技术的特点

省电：

两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间

◆可靠：

采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。

◆时延短：

针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。

◆网络容量大：

可支持达65000个节点。

◆安全：

ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。

◆高保密性：

64位出厂编号和支持AES-128加密。

2.3.3Zigbee技术的发展前景

Zigbee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。

关于这方面的报道，你只需在XX，或GOOGLE搜索栏中键入“Zigbee”,你就会看到大量的有关报道。

总之，今后若干年，都将是Zigbee技术飞速发展的时期。

尽管，国内不少人已经开始关注Zigbee这门新技术，而且也有不少单位开始涉足Zigbee技术的开发工作，然而，由于Zigbee本身是一种新的系统集成技术，应用软件的开发必须和网络传输，射频技术和底层软硬件控制技术结合在一起。

因而深入理解这个来自国外的新技术，再组织一个在这几个方面都有丰富经验的配套的队伍，本身就不是一件容易的事情，因而，到目前为止，国内目前除了成都西谷曙光数字技术有限公司，真正将Zigbee技术开发成产品，并成功地用于解决几个领域的实际生产问题之外，尚未见到其它报道。

第三章系统需求分析与硬件设计

3.1系统方案与整体体系结构

如图3所示为基于3G网络、ARM嵌入式服务器和Zigbee的机房环境监控系统的整体架构，整个系统由四部分组成，分别为Zigbee无线传感网络（WSN）、中央ARM服务器、基于3G网络传输的数据收集转发服务器和用户终端。

该系统可实现数据采集、综合状态监测、突发事件处理等应用场景。

图3系统总体结构图

在以上系统的整体设计中，Zigbee无线传感网络通过传感节点完成数据的采集，并经过协调器将采集到的数据上传至Arm嵌入式中央服务器进行相应的处理，并将处理后的数据暂存。

利用3G网络的传输速度快、效率高、传输准确等优势，处理后的数据通过3G网络传输到数据收集转发服务器进而发送到用户终端，实现环境的实时监控和数据的准确传输显示。

本论文主要研究的是数据的采集和处理部分，对于数据传输的部分将不做更为详细的讨论。

相应的原型系统应用层需处理以下3种应用模式：

1、周期性采样

对于某个需要经常监测的状态或过程，传感器节点每隔一定周期便进行数据采样，并周期地将采样数据传输到协调器，采样周期主要根据状态或过程变化速度以及采集对象自身特点来决定。

由于传感器节点的占空比与采样速率成正比，协议堆栈的应用层应该在满足测量条件的情况下尽量采用最小采样率。

2、事件驱动

许多情况下要求监测一个或多个变量，并在接近阈值时才进行传输。

为了使事件驱动达到一定的功效和响应速度，必须使没有触发事件的传感器节点进入低功耗模式，并在到达阈值时快速恢复工作。

3、存储和转发

协调器是重要的数据存储和处理节点，通过数据融合降低出口流量，有助于提高整个网络的性能、功耗和带宽效率。

应用层协议提供恰当的编程接口，以便有效地集成数据聚集和数据处理方法。

网络远程交互能力是原型系统提供的一个重要功能，传感器节点采集的原始数据经协调器处理后接入ARM服务器，从而使网络获取的数据到达远程用户。

3.2模块构成与功能描述

该系统主要具有如下两种功能：

1、感知、采集和存储数据

传感器节点具有感知和采集多种信息类型的能力，采集到的数据可以存储并有效管理，以便及时传送给用户进行数据挖掘和分析。

2、数据访问与控制

系统运行期间，本地（现场）或远程服务器通过协调器对传感器节点进行数据访问和控制，监测系统体现一定的网络交互能力。

传感器节点和协调器由电池供电，各节点均参与组网、数据传送和相互通信。

传感器节点执行目标感知和数据采样，通过转发其他节点的信息，构成单跳-多跳通信网络[10]。

协调器负责协调和收集传感器节点的监测数据，并进行初步数据融合，将数据传送给ARM服务器，节点间通过单跳或多跳进行通信连接。

为了实现长期有效的监测，传感器节点、协调器、ARM服务器、本地服务器

和远程服务器等均需要对数据进行存储：

传感器节点只是临时存储数据，周期性发给协调器后就不需要了，协调器将接收的数据进行存储、融合发给ARM服务器后也不再需要，而ARM服务器是监测系统和外界联系的桥梁，需要暂存一定的数据，向本地服务器和远程服务器提供一个比较完