基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計

1、圖1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖Fig. 1Schematic structure of the system基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)與GPRS 的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設(shè)計付金勇，郭愛文（武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院自動化系，湖北武漢430072）摘要：為解決工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場信號采集具有布線復(fù)雜，信號多樣，環(huán)境惡劣等問題，筆者提出基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS 網(wǎng)絡(luò)的集數(shù)據(jù)采集與傳輸于一體的系統(tǒng)設(shè)計方案與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)給出了節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計方案以及軟件的實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用CC2430型號的SOC ，完成數(shù)據(jù)采集與無線網(wǎng)絡(luò)組建，再通過GPRS 模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，功耗低，節(jié)點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn)，

2、實(shí)現(xiàn)了無線條件下的數(shù)據(jù)采集與遠(yuǎn)程傳輸。關(guān)鍵詞：ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)；GPRS 網(wǎng)絡(luò)；CC2430；無線傳感器節(jié)點(diǎn)中圖分類號：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：16746236（2011）14-0163-03Design of data acquisition and transmission system based on zigBee wireless sensornetwork and GPRS networkFU Jin -yong ，GUO Ai -wen（Department of Automation ，School of Power and Mechanical Enginee

3、ring ，Wuhan University ，Wuhan 430072，China ）Abstract:In order to solve the routing complexity of signal acquisition ，signal diversity ，poor environment and other issues in industrial production sites ，the article proposes a design and implementation method based on ZigBee wireless sensor network and

4、 GPRS network. The system gives the hardware design of a wireless node and software implementations. The system uses CC2430model which is a SOC ，completing the process of data acquisition and wireless network setting up ，then sends the data through the GPRS module to the remote monitoring center. It

5、 has a simple structure ，low power consumption ，flexibility of the node and other advantages ，accomplishing data acquisition and long distance transmission under the conditions of a wireless. Key words:ZigBee wireless network ；GPRS network ；CC2430；wireless sensor node收稿日期：2011-05-10稿件編號：201105039作者簡

6、介：付金勇（1990），男，山東日照人。研究方向：模式識別，嵌入式系統(tǒng)。隨著工業(yè)的發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)模的增大，測量參數(shù)趨于多樣化，迫切需要適合此狀況的采集與傳輸系統(tǒng)來完成參數(shù)的收集與傳送。然而傳統(tǒng)的有線傳輸技術(shù)存在安裝復(fù)雜，布線成本高，限制了工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展，雖然在有些工業(yè)情況下，單純用GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞可滿足一定的工業(yè)要求，但是花費(fèi)太高，并且不能排除信號采集現(xiàn)場沒有運(yùn)營商信號覆蓋的可能性。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集迫切需要一種簡單的、低成本、高效率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。筆者采用新興起的ZigBee 短程無線傳輸技術(shù)與GPRS 遠(yuǎn)程通信技術(shù)結(jié)合來設(shè)計滿足這一需求的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理1.1

7、系統(tǒng)組成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。在傳感器終端，采用ZigBee 無線傳輸系統(tǒng)，能夠?qū)⒍鄻踊臏y量變量進(jìn)行收集，然后通過ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過GPRS 模塊發(fā)送，經(jīng)過GPRS 協(xié)議與TCP/IP協(xié)議轉(zhuǎn)換，完成與Internet 的連接，監(jiān)控中心可以通過Internet 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號的收集，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與傳輸過程。1.2ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)1.2.1ZigBee 技術(shù)特點(diǎn)ZigBee 是基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線組網(wǎng)技術(shù)。數(shù)據(jù)傳輸距離依賴于輸出功率和信道環(huán)境，一般在百米左右；通信時

8、延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms ，休眠激活的時延是15ms ，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms ，因此ZigBee 技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業(yè)控制場合等）應(yīng)用；尋址方式為64bit IEEE 地址，8bit 網(wǎng)絡(luò)地址，一臺主ZigBee 設(shè)備可以連接多達(dá)254臺其他的從ZigBee 設(shè)備，而一個區(qū)域可以建立更多的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)；ZigBee 設(shè)備可工作在2.4GHz （全球通用）、868MHz （歐洲通用）和915MHz （美國通用）3個頻段之上，理論上可分別達(dá)到最高250、20和40kb/s的傳輸速率；ZigBee電子設(shè)計工程Electron

9、ic Design Engineering第19卷Vol.19第 14期No.142011年7月Jul. 2011163電子設(shè)計工程2011年第14期的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW ，采用休眠模式可以使功耗很低，從而達(dá)到省電延長電源使用壽命1。 1.2.2ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合傳感器技術(shù)、ZigBee 無線通訊技術(shù)和分布式信息處理技術(shù)等，通過一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)傳感器的相互協(xié)作，全方位的采集網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的信息，而網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞方式以及效率取決于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計2。為了充分利用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的靈活性與自愈性，增大網(wǎng)絡(luò)的容量，在此選擇多層

10、次網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3，如圖2所示。 該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)完成的主要過程是數(shù)據(jù)的采集與上傳。大量的傳感器節(jié)點(diǎn)分布在監(jiān)測區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)大范圍、多層面、立體的數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)的多樣性與準(zhǔn)確性。路由節(jié)點(diǎn)最主要的功能便是起到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)的作用，接收基本的傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)傳的要求，由于路由節(jié)點(diǎn)的加入，可以使網(wǎng)絡(luò)具有自組織性以及一定的容錯性，使無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍增大，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的測量范圍，這滿足工業(yè)生產(chǎn)時收集信號的分散特性。協(xié)調(diào)器是一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，它向下組織包含路由器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)組織與數(shù)據(jù)接收，向上連接GPRS 網(wǎng)絡(luò)，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。

11、1.3GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)GPRS 是通用分組無線業(yè)務(wù)，是由現(xiàn)行的GSM 系統(tǒng)上發(fā)展起來的一種承載業(yè)務(wù)。采用與GSM 同樣的無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、頻帶、調(diào)頻規(guī)則、突發(fā)結(jié)構(gòu)、TDMA 幀結(jié)構(gòu)。GPRS 采用分組交換技術(shù)，允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送接收數(shù)據(jù)，區(qū)別于電路交換的GSM ，特別適用于頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)然亦可傳輸大量數(shù)據(jù)，正適合工業(yè)測量領(lǐng)域頻發(fā)、少量、實(shí)時性高的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS 具有“極速傳送" 、“永遠(yuǎn)在線”、“價格實(shí)惠”等特點(diǎn)。其采用IP 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高了現(xiàn)有GSM 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸速率，最高可達(dá)170kb/s左右，當(dāng)設(shè)備得到無線通道，GPRS 便可以建立連接，

12、使用戶一直處于“在線”狀態(tài)4-5。2硬件設(shè)計部分2.1無線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。無線傳感器節(jié)點(diǎn)要完成來自傳感器的信息的收集、無線網(wǎng)絡(luò)的加入、以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。電路應(yīng)該有電源模塊、傳感器模塊、MCU 、無線模塊等部分組成6-8。在此采用德州儀器（TI ）公司生產(chǎn)的CC2430，CC2430是一種真正的片上系統(tǒng)芯片（SOC ）CMOS 解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee 為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM 波段應(yīng)用，完全兼容ZigBee 協(xié)議，該方案還滿足了工業(yè)過程對低成本，低功耗的要求。該芯片內(nèi)部集成了一個符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz

13、 DSSS （直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級高性能和低功耗的8051微控制器核，擁有8kB 的RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊。CC2430有3種不同的版本，具體表現(xiàn)為閃存空間的不同，分別有32、64、和128kB 。CC2430芯片采用0.18m CMOS 工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA 或25mA 。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，完全滿足了要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合。2.2協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)要完成對傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的接收，傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)管理，監(jiān)控中心數(shù)據(jù)的傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示。無線模塊采用CC2430，GPRS 模塊

14、采用MC35i 。MC35i 是西門子生產(chǎn)的GSM/GPRS雙模模塊，它采用緊湊型設(shè)計，完全兼容于在它之前的西門子MC35系列產(chǎn)品，支持EGSM900/GSM1800雙頻，支持GRPS Class 8/ClassB ，可以為用戶提供了便捷、嵌入式的GPRS 無線模塊的連接。MC35i 工作在GPRS 狀態(tài)時，下行最大速率85.6kb/s。接口：40pin ，包括電源、3V SIM 卡、RS232接口、語音、控制等管腳/50天線接口。MC35i 的GPRS 模塊可實(shí)現(xiàn)永久在線功能，具有高速數(shù)據(jù)傳輸速率、體積小巧、功耗低等特點(diǎn)，能提供數(shù)據(jù)、語音、短信、傳真功能，在本系統(tǒng)中完全滿足數(shù)據(jù)的傳輸速率要求

15、。3軟件設(shè)計部分3.1協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器的作用是向上通過GPRS 模塊發(fā)送數(shù)據(jù)給監(jiān)控中心，向下管理ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，從功能上分類屬于FFD （full -function device ）節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與GPRS 模塊部分的通訊時，協(xié)調(diào)器發(fā)送的報文格式遵循指定的格式，便于監(jiān)控中心解析報文內(nèi)容，便于數(shù)據(jù)的通用。GPRS 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊設(shè)計采用線程編程，一要完成GPRS數(shù)據(jù)的發(fā)送，二要監(jiān)視來自串口的數(shù)據(jù)。軟件采用C 語言編圖2系統(tǒng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2Structure diagram of the ZigBee wireless network圖3無線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖Fi

16、g. 3Structure diagram of wireless sensor node寫，程序流程如圖5所示。 協(xié)調(diào)器管理ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，需完成組建網(wǎng)絡(luò)，掃描來自路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請求信號，存儲路由節(jié)點(diǎn)編碼號。3.2傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計傳感器軟件部分要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理與發(fā)送等功能。路由節(jié)點(diǎn)不僅要有傳感器節(jié)點(diǎn)的功能，而且還具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，是FFD （full -function device ）節(jié)點(diǎn)。為節(jié)省電源，傳感器節(jié)點(diǎn)采用睡眠喚醒機(jī)制，滿足電池供電要求。由于電源損耗主要是由于無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，而在沒有采集的時間段內(nèi)，無線模塊的工作便是能量的浪費(fèi)，因此程序設(shè)計為

17、在沒有接收到時鐘信號的喚醒命令之前，傳感器節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊處于睡眠狀態(tài)，延長電池的使用壽命，程序流程如圖6所示。4結(jié)論筆者提出的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)建立在（SOC ）CC2430芯片上，通過建立ZigBee 無線傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)，將測量范圍的數(shù)據(jù)通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集，路由節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)匯集數(shù)據(jù)，完成現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集的一次作業(yè)，再通過GPRS 通訊網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳遞到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸過程作業(yè)，整個實(shí)現(xiàn)過程簡捷，具有可操作性，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)對CAN 布線、布線代價高昂以及無法使用GPRS 傳輸?shù)裙r更適合苛刻的工業(yè)要求，筆者的ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)具有一定的自組織性，網(wǎng)絡(luò)探測范

18、圍廣，可實(shí)現(xiàn)廣泛區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集，采用不同的傳感器可以采集多樣的現(xiàn)場信號，滿足不同的系統(tǒng)要求。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，本系統(tǒng)具有可行性。參考文獻(xiàn)：1李皓. 基于ZigBee 的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用J.信息技術(shù)，2008，32（1）:12-14.LI Hao. Wireless network technology based on ZigBee and its applicationsJ.InformationTechnology ，2008，32（1）:12-14.2孫利民. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京：清華大學(xué)出版社，2005：407-417.3楊璽. 面向?qū)崟r監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)M.北京：人民郵電出版社，2010.4韓冰，李芬華.GPRS 技術(shù)在數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用J.電子技術(shù)，2003，30（8）:26-29. HAN Bing ，LI Fen -hua. Application of GPRS techno