基于ZigBee網絡與GPRS的數據采集傳輸系統設計

付金勇，郭愛文

（武漢大學動力與機械學院自動化系，湖北武漢430072）

隨著工業的發展，系統規模的增大，測量參數趨于多樣化，迫切需要適合此狀況的采集與傳輸系統來完成參數的收集與傳送。然而傳統的有線傳輸技術存在安裝復雜，布線成本高，限制了工業通信技術的發展，雖然在有些工業情況下，單純用GPRS進行數據傳遞可滿足一定的工業要求，但是花費太高，并且不能排除信號采集現場沒有運營商信號覆蓋的可能性。工業生產現場的數據采集迫切需要一種簡單的、低成本、高效率的數據采集系統。筆者采用新興起的ZigBee短程無線傳輸技術與GPRS遠程通信技術結合來設計滿足這一需求的數據采集傳輸系統。

1 系統結構與原理

1.1 系統組成

系統的結構原理圖如圖1所示。

圖1 系統的結構原理圖Fig.1 Schematic structure of the system

在傳感器終端，采用ZigBee無線傳輸系統，能夠將多樣化的測量變量進行收集，然后通過ZigBee網絡傳送到協調器節點，然后協調器節點通過GPRS模塊發送，經過GPRS協議與TCP/IP協議轉換，完成與Internet的連接，監控中心可以通過Internet網絡進行信號的收集，完成數據的遠程采集與傳輸過程。

1.2 ZigBee無線網絡

1.2.1 Z igBee技術特點

ZigBee是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線組網技術。數據傳輸距離依賴于輸出功率和信道環境，一般在百米左右；通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延30 ms，休眠激活的時延是15 ms，活動設備信道接入的時延為15 ms，因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制（如工業控制場合等）應用；尋址方式為64 bit IEEE地址，8 bit網絡地址，一臺主ZigBee設備可以連接多達254臺其他的從ZigBee設備，而一個區域可以建立更多的ZigBee網絡；ZigBee設備可工作在2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（歐洲通用）和915 MHz（美國通用）3個頻段之上，理論上可分別達到最高250、20和40 kb/s的傳輸速率；ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1 mW，采用休眠模式可以使功耗很低，從而達到省電延長電源使用壽命[1]。

1.2.2 Z igBee無線網絡網絡結構選擇

ZigBee無線傳感器網絡綜合傳感器技術、ZigBee無線通訊技術和分布式信息處理技術等，通過一定的網絡結構，可以實現區域內傳感器的相互協作，全方位的采集網絡覆蓋范圍內的信息，而網絡信息的傳遞方式以及效率取決于網絡結構的設計[2]。為了充分利用ZigBee網絡的靈活性與自愈性，增大網絡的容量，在此選擇多層次網絡結構[3]，如圖2所示。

圖2 系統ZigBee網絡結構圖Fig.2 Structure diagram of the ZigBee wireless network

該網絡結構由傳感器節點、路由節點和協調器節點構成。傳感器節點完成的主要過程是數據的采集與上傳。大量的傳感器節點分布在監測區域，可實現大范圍、多層面、立體的數據采集，提高數據的多樣性與準確性。路由節點最主要的功能便是起到數據中轉的作用，接收基本的傳感器節點的入網申請以及數據轉傳的要求，由于路由節點的加入，可以使網絡具有自組織性以及一定的容錯性，使無線網絡覆蓋范圍增大，擴大網絡的測量范圍，這滿足工業生產時收集信號的分散特性。協調器是一個ZigBee網絡的中心節點，它向下組織包含路由器節點、傳感器節點在內的網絡組織與數據接收，向上連接GPRS網絡，完成數據的遠程傳送。

1.3 GPRS網絡技術特點

GPRS是通用分組無線業務，是由現行的GSM系統上發展起來的一種承載業務。采用與GSM同樣的無線調制標準、頻帶、調頻規則、突發結構、TDMA幀結構。GPRS采用分組交換技術，允許用戶在端到端分組轉移模式下發送接收數據，區別于電路交換的GSM，特別適用于頻繁的、少量的數據傳輸，當然亦可傳輸大量數據，正適合工業測量領域頻發、少量、實時性高的數據傳輸。GPRS具有“極速傳送"、“永遠在線”、“價格實惠”等特點。其采用IP數據網絡協議，提高了現有GSM數據業務的傳輸速率，最高可達170 kb/s左右，當設備得到無線通道，GPRS便可以建立連接，使用戶一直處于“在線”狀態[4-5]。

2 硬件設計部分

2.1 無線傳感器節點結構設計

圖3 無線傳感器節點的結構圖Fig.3 Structure diagram of wireless sensor node

無線傳感器節點的結構如圖3所示。無線傳感器節點要完成來自傳感器的信息的收集、無線網絡的加入、以及無線數據的發送。電路應該有電源模塊、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）公司生產的CC2430，CC2430是一種真正的片上系統芯片（SOC）CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM波段應用，完全兼容ZigBee協議，該方案還滿足了工業過程對低成本，低功耗的要求。該芯片內部集成了一個符合IEEE802.15.4標準的2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心和一顆工業級高性能和低功耗的8051微控制器核，擁有8 kB的RAM及強大的外圍模塊。CC2430有3種不同的版本，具體表現為閃存空間的不同，分別有32、64、和128 kB。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉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用場合。

2.2 協調器結構設計

協調器節點要完成對傳感器節點數據的接收，傳感器節點的入網管理，監控中心數據的傳輸。協調器節點組成結構如圖4所示。

圖4 協調器節點結構圖Fig.4 Structure diagram of coordinator node

無線模塊采用CC2430，GPRS模塊采用MC35i。MC35i是西門子生產的GSM/GPRS雙模模塊，它采用緊湊型設計，完全兼容于在它之前的西門子MC35系列產品，支持EGSM900/GSM1800雙頻，支持GRPS Class 8/Class B，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狀態時，下行最大速率85.6 kb/s。接口：40 pin，包括電源、3 V SIM卡、RS232接口、語音、控制等管腳/50 Ω天線接口。MC35i的GPRS模塊可實現永久在線功能，具有高速數據傳輸速率、體積小巧、功耗低等特點，能提供數據、語音、短信、傳真功能，在本系統中完全滿足數據的傳輸速率要求。

3 軟件設計部分

3.1 協調器軟件設計

協調器的作用是向上通過GPRS模塊發送數據給監控中心，向下管理ZigBee無線網絡，從功能上分類屬于FFD（fullfunction device）節點。協調器節點與GPRS模塊部分的通訊時，協調器發送的報文格式遵循指定的格式，便于監控中心解析報文內容，便于數據的通用。

GPRS數據收發模塊設計采用線程編程，一要完成GPRS數據的發送，二要監視來自串口的數據。軟件采用C語言編寫，程序流程如圖5所示。

圖5 GPRS模塊發送接收流程圖Fig.5 Flow chart of sending and receiving designed for GPRS module

協調器管理ZigBee網絡，需完成組建網絡，掃描來自路由節點和傳感器節點的入網請求信號，存儲路由節點編碼號。

3.2 傳感器節點與路由節點軟件設計

傳感器軟件部分要完成數據采集，數據處理與發送等功能。路由節點不僅要有傳感器節點的功能，而且還具有數據轉發的功能，是FFD（full-function device）節點。為節省電源，傳感器節點采用睡眠喚醒機制，滿足電池供電要求。由于電源損耗主要是由于無線數據的收發，而在沒有采集的時間段內，無線模塊的工作便是能量的浪費，因此程序設計為在沒有接收到時鐘信號的喚醒命令之前，傳感器節點的無線收發模塊處于睡眠狀態，延長電池的使用壽命，程序流程如圖6所示。

圖6 傳感器節點程序流程和路由節點程序流程Fig.6 Flow chart of sensor node and routing node

4 結論

筆者提出的數據采集傳輸系統建立在（SOC）CC2430芯片上，通過建立ZigBee無線傳感器傳輸網絡，將測量范圍的數據通過傳感器節點采集，路由節點中轉，協調器節點匯集數據，完成現場的數據采集的一次作業，再通過GPRS通訊網絡將數據傳遞到監控中心，實現數據的遠程傳輸過程作業，整個實現過程簡捷，具有可操作性，ZigBee無線網絡可以應對CAN布線、布線代價高昂以及無法使用GPRS傳輸等工況更適合苛刻的工業要求，筆者的ZigBee無線網絡具有一定的自組織性，網絡探測范圍廣，可實現廣泛區域內的數據采集，采用不同的傳感器可以采集多樣的現場信號，滿足不同的系統要求。經實際驗證，本系統具有可行性。

[1]李皓.基于ZigBee的無線網絡技術的應用[J].信息技術，2008，32（1）:12-14.

LI Hao.Wireless network technology based on ZigBee and its applications[J].Information Technology，2008，32（1）:12-14.

[2]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京：清華大學出版社，2005：407-417.

[3]楊璽.面向實時監測的無線傳感器網絡[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[4]韓冰，李芬華.GPRS技術在數據采集與監控系統中的應用[J].電子技術，2003，30（8）:26-29.

HAN Bing，LI Fen-hua.Application of GPRS technology SCADA system[J].Electronic Technology，2003，30（8）:26-29.

[5]郭澤辰.基于GPRS的遠程自動水文監測網絡[J].電力系統通訊，2004，25（8）:11-12，15.

GUO Ze-chen.Hydrology data remote monitoring system based on GPRS network[J].Telecommunications for Electric Power System，2004，25（8）:11-12，15.

[6]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程——基于CC2430/31的無線傳感器網絡解決方案[M].北京:北京航空航天大學出版社，2009.

[7]金純，羅祖秋，羅風.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京:國防工業出版社，2008.

[8]Il-Kyu H，Jin-Wook B.Wireless access monitoring and control system based on digital door lock[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics，2007，52（4）:1724-1730.