基于ZigBee和GSM/3G網絡技術的無線傳感網絡監控系統設計與應用

閆文娟，王水璋

(1.南京機電職業技術學院，江蘇 南京211135;2.南京達智通信技術有限責任公司，江蘇 南京210013)

0 引言

ZigBee網絡技術是最近發展起來的一種短距離無線通信技術，由于具有近距離、低功耗、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性和安全性高、實現成本低等特點，成為目前最常用的無線傳感網絡解決方案。由于ZigBee網絡技術通信距離較近(一般在50～100 m的范圍內)，因此適于一定距離范圍內無線傳感網絡終端產品的管理和控制。

隨著GSM/3G通信網絡的迅速普及和移動通信技術的飛速發展，將ZigBee網絡技術與GSM/3G通信網絡技術結合起來，利用GSM/3G網絡傳輸基于ZigBee無線傳感網絡的數據，可以靈活地構建起巨大的無線通信網絡，實現無線傳感網絡遠程智能管理監控，它無距離限制，改變了傳統無線傳感網絡數據傳輸距離的限制，使網絡具有非常顯著的優點，從而可以實現更大范圍、更廣應用的無線傳感網絡系統，給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全的應用。

本文設計了一種以ZigBee網絡技術與GSM/3G通信網絡技術為核心的無線傳感網絡監控系統，并將其用于環境的溫濕度檢測和控制，取得了很好的效果。

1 系統結構

設計的無線傳感網絡監控系統主要由終端節點、中心節點和主控節點組成，通過GSM/3G網絡技術來傳輸Zig-Bee傳感網絡的信息，協同地完成對環境信息的監測和控制管理。系統總體結構見圖1。

圖1 無線傳感網絡監控系統總體結構圖

終端節點分布于需要監測的現場，對現場信息進行數據采集并將數據上傳給中心節點，并接收和執行中繼節點或主控節點發來的管理控制命令對相關設備進行管理控制，達到自動或手動監控。

中心節點實現ZigBee網絡與GSM/3G通信網絡的數據轉換處理，用GSM/3G網絡的SMS或GPRS方式把數據傳輸到信息系統中心的主控節點。

主控節點實現網絡系統的集中管理功能，完成網絡的監控管理功能。

兩個網絡的工作原理結構圖見圖2。

圖2 兩個網絡的工作原理結構圖

2 硬件設計

系統采用先進的GSM/3G無線通信技術、ZigBee無線傳感網絡技術、嵌入式數據采集處理技術、分布式信息處理技術和系統軟件編程等技術，可以實時感知、采集和監控網絡分布區域內的各種環境信息，對這些信息進行處理，并傳送給所需用戶進行管理和監控。

GSM通信模塊主要采用SIM700四頻GSM/GPRS/EDGE無線通訊模塊，負責收發命令短信和傳輸數據信息;ZigBee無線傳感網絡主要采用IP_Link2034無線網絡模塊，負責組織無線傳感器網絡終端節點的數據采集和管理控制區域內的設備;處理器采用超低功耗的MSP430F149單片機。系統硬件框圖見圖3。

圖3 系統硬件框圖

主處理模塊：以MSP430F149單片機為核心，包括外圍電路、電源管理電路、接口電路以及告警提示電路等，負責數據采集、數據處理、數據傳輸、執行控制、接口數據通信、告警提示以及整個網絡系統的協調管理等，是整個系統的核心模塊。

傳感器模塊：目前為溫濕度傳感器，可以根據需求采用不同的傳感器，如：氣體、光感、震動、壓力傳感器等。

控制電路模塊：包括驅動電路、繼電器(3個)、紅外二極管(1個)等一些控制電路。

顯示電路模塊：包括液晶顯示電路、外圍驅動電路等，用于顯示需要。

GSM/3G網絡模塊：以GSM/GPRS/EDGE/TD－SCDMA/WCDMA模塊為核心，包括其他外圍電路、SIM卡、天線等，其具有小尺寸和低功耗特點，可以實現語音、數據、SMS和GPRS信息的高速傳輸。

ZigBee網絡模塊：以IP－link2034無線網絡模塊為核心，包括其他外圍電路、天線等，其支持基于ZigBee網絡的星狀、混合樹狀、網狀網絡等彈性化拓樸設計，能在網狀或多次跳接無線網絡內支持串行數據路由，通信速率可達250kbps，最大支持65 535個節點。

存儲模塊：用于數據存儲，實現數據實時傳輸或歷史查詢。

3 軟件設計

3.1 軟件概述

本系統軟件就是解決數據控制中心與遠程采集控制終端的遠程無線通信問題，系統中采用GSM/3G無線通信模塊SIM700和ZigBee無線傳感網絡模塊IP_Link2034實現兩者的數據通信，GSM/3G無線通信模塊SIM700通過AT命令來進行控制，數據傳輸采用通過GSM網絡進行遠程傳輸兼容短消息方式傳輸。

按照系統要求具有良好的公用性、穩定性和擴展性，系統的軟件采用模塊化結構程序設計方式，主要包括：主處理模塊、傳感器數據采集處理模塊、控制管理模塊、數據處理模塊、無線通信網絡模塊、各節點的功能配置模塊、其他處理模塊等。

軟件總體結構見圖4。

圖4 軟件總體結構圖

3.2 軟件設計

根據監控系統需要，數據采集控制終端節點任務是轉換并處理外圍傳感器采集的數據，根據設定命令發送實時數據給數據控制中心或管理人員，另外終端節點還要根據數據控制中心或管理人員發來的命令執行相應的控制動作并向上層作出應答;終端節點把上層需要的數據通過中心節點傳給GSM通信模塊。GSM通信模塊把收到的信息，通過GSM網絡發送到數據和控制中心，或者以短信形式發送到用戶手機上。如果有異常情況，則終端節點可以報警并以短信的形式報告給管理者。軟件設計采用模塊化編程，各功能模塊以子函數形式，縮短軟件開發時間，易于程序修改和移植。主處理模塊主要是將各模塊進行協調處理和實現數據交互。

主處理模塊軟件流程圖見圖5。

圖5 主處理模塊軟件流程圖

4 系統實際應用效果

目前本系統在一些醫藥倉庫安裝并運行，系統總體性能達到了預期設計目標，尤其是在簡化設備安裝布線，提高系統移動性和便攜性以及遠距離監控等方面效果十分顯著。終端節點被分布在倉庫的需要監測和控制的地方(圖6)，節點每隔15 min(可調)采集一次環境的溫濕度信息并發送給中心節點，中心節點再將數據轉發給主控節點，主控節點與監控主機相連，對網絡采集的數據統一管理和分析。節點安裝完畢通電后，便可進行長時間連續工作，實時監測存儲物品的儲存環境，另外，當溫濕度達到一定的限定值時啟動報警，同時根據需要進行手動或自動控制空調等設備的開啟或停止，專用的監控管理系統實時顯示倉庫的溫濕度并進行一些有關處理。

圖6 終端節點安裝應用圖

無線傳感網絡監控系統見圖7。

圖7 無線傳感器網絡監控系統軟件

數據曲線圖見圖8。

圖8 數據曲線圖

該系統軟件可以實現多點的溫度和濕度連網監測記錄，將溫濕度傳感器采集的數據實時傳輸到控制中心電腦上進行數據存儲和分析，完全不需要人工干預，避免了人工查表、操作的失誤，能夠顯示一定時間內的歷史趨勢圖，溫度、濕度變化的曲線圖;打印溫濕度變化的記錄數據和曲線，同時，該系統具有超限報警和控制功能，當溫濕度數據超過設定標準時，系統能對外發出報警信息，及時通知管理人員進行處理。該系統產品為許多應用場所環境的精確監控提供了科學依據，減少了管理者的工作量和繁雜度。若改變其范圍或應用到其他的監測環境中，需要根據實際情況調整監測網絡的規模，只需適當改變監控點位置和增加或減少測量點數目，實現起來非常方便。

5 結論

本無線網絡系統具有以下有益效果：

1)自組織：ZigBee網絡的布設和展開無需依賴于任何預設的網絡設施，節點具有自組織功能，當網絡環境發生變化或節點增加和減少時，節點能夠自動修改路由表，實現整個網絡路由的自適應，同時實現網絡自動重構。

2)無中心：ZigBee自組網傳感網絡監控系統中沒有嚴格的控制中心，節點可以隨時加入或離開網絡，任何終端節點的故障不會影響整個網絡的運行，具有很強的抗毀性。

3)動態拓撲：ZigBee自組網傳感網絡監控系統是一個動態的網絡，終端節點可以隨處移動。網絡具有動態拓撲組織功能，無須進行人工干預。

4)可靠的網絡：終端節點節點采用隨機部署，能適應環境的變化，非常堅固，不易損壞。

5)網絡規模大：可以靈活地構建起巨大的無線傳感監測控制通信網絡。

6)通信距離遠：將ZigBee自組織傳感網絡與GSM/3G網絡結合起來，它無距離限制，改變了傳統無線網絡數據傳輸距離的限制。

這種網絡系統也可以廣泛地應用于工業、農業、環境監控、國防軍事、智能交通、醫療衛生、公共安全、食品保鮮、現代物流等領域，可以說是無線傳感網絡技術的一場革命，具有廣闊的市場潛力和美好的應用前景。

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