基于ZigBee的無線溫濕度監測系統與GPRS融合組網研究

都 鑫，張 潔，吳曉飛，張國華

基于ZigBee的無線溫濕度監測系統與GPRS融合組網研究

都 鑫1，張 潔2，吳曉飛1，張國華1

（1.河北機電職業技術學院，河北 邢臺 054000； 2.邢臺職業技術學院，河北 邢臺 054035）

通過研究ZigBee技術的組網原理，利用智能數字傳感器的優點和GPRS通信技術的方便可靠性，將無線數據采集網絡和遠程信息通訊網絡結合起來，構建一個遠程無線傳感器網絡的智能化硬件平臺，實現對各種環境的溫濕度參數進行及時準確監測。

ZigBee；GPRS；溫濕度監測

眾所周知，溫濕度影響著我們的生產生活，尤其是合適的溫濕度在農業種植、物資儲存、工業生產、醫療衛生等領域起著不可或缺的作用。當前的溫濕度監測系統普遍具有系統功能單一、傳輸布網繁瑣、通信距離過近、易受外界因素影響等各種缺點。本研究將ZigBee技術與GPRS技術進行有機融合，致力于開發出一種高效可靠的新型溫濕度監測系統。

一、新技術優勢

ZigBee技術具有能耗低、預算少、安全性高等顯著優點，已經成為環境監測領域中設備組網最適合的技術。基于ZigBee技術的無線溫濕度傳感器網絡能滿足自動控制和遠程控制的需要，其最多可容納6萬多個數據傳輸模塊。同時，ZigBee技術可以極大的擴展溫濕度參數采集區域，并可以避免以往監測系統中的設備聯網繁雜、檢修成本高等問題。

GPRS技術在數據傳輸方面具有數據傳送速率高、系統傳輸容量大、通信實時性強、良好的可擴展性、可對設備進行遠程控制等優點，同時其監控范圍廣、建設投入小、通信費用低。

二、系統結構

系統結構示意圖如圖1。

圖1 系統結構示意圖

三、方案設計

1.溫濕度參數采集模塊設計

溫濕度傳感器選擇的是Sensirion公司生產的SHT11，它采用工業COMS 過程微加工技術，保證芯片能長時間穩定工作，片外電路綜合結構簡單、運算速度快。

SHT11溫濕度測量步驟為：通過溫度、濕度傳感器分別得到相應的溫濕度數據；放大后，送至A/D轉換器進行相應處理；通過數字2線串口將溫度及相對濕度的數據送至MCU；通過MCU完成相對濕度的溫度補償和溫濕度的非線性補償。

SHT11供電電壓一般為2.4V～5.5V，其串行接口主要包括雙向串行數據線（DATA）和單向輸入串行時鐘線（SCK），為了保證工作精度，接口電路加入上拉電阻RP和VDD與GND之間的去耦電容C。

2.ZigBee無線數據傳輸模塊設計

基于SOC解決方案，ZigBee模塊選擇TI公司生產的CC2530芯片完成數據處理和無線傳輸的任務。CC2530是TI公司推出的第二代用于2.4GHz頻段，支持IEEE 802.15.4標準/ ZigBee RF4CE協議的SOC芯片，它將微處理器與無線收發模塊完美的結合在一起，體積更小、功能更強大。

CC2530外接電路如圖2所示，其中外接電路的射頻部分選取的是不平衡天線，所以采用巴比倫的阻抗匹配電路來優化性能，同時射頻結構滿足匹配電阻（50歐）的要求。

圖2 CC2530外接電路

ZigBee無線傳感器網絡的工作內容為：ZigBee網絡協調器負責組建一個信息傳輸平臺，進行網絡的日常管理和維護；傳感器終端節點負責將測量到的溫濕度參數信息經由路由器發送至協調器，然后經GPRS網絡轉發給監控中心；遠程監控中心將控制信號經由協調器依次向下傳遞，直至相應的終端節點[1]；路由器在網絡中的作用是完成協調器和終端節點之間的數據轉發功能，延長數據傳輸距離。

3.ZigBee與GPRS網關模塊設計

GPRS技術由GSM技術發展而來，數據在傳輸過程中遵循TCP/IP協議，并能方便地接入互聯網。一般而言，對于ZigBee無線傳感器網絡中的ZigBee協調器有以下方式可以與遠程監控中心進行通信：其一是通過光纖等網絡寬帶直接連接；其二是選擇移動通信網絡連接Internet 網絡。本文設計的基于CC2530芯片的ZigBee協調器是通過移動網絡接入互聯網的，這就要求必須對ZigBee與GPRS融合組網的網關進行妥善的設計，從而完成ZigBee網絡協議與TCP/IP協議的無縫對接與自由轉換，達到互聯通信的目的。

本文設計的ZigBee與GPRS網關由三部分組成：ZigBee網絡協調器模塊、GPRS通信模塊以及電平轉換芯片。網關結構如圖3所示。

圖3 網關結構

GPRS通信模塊選用華為公司推出的GTM900C模塊，它工作溫度范圍是-20℃～+70℃，電源電壓區間為3.3V～4.8V（推薦電壓3.8V），接收靈敏度小于-106dBm，最大發射功率雙頻EGSM900/GT800 Class4是2W、單頻GSM1800 Class1是1W。GTM900C內嵌TCP/IP因特網互聯協議，提供ACK（確認字符）應答，提供大容量緩存電路型數據業務，支持多鏈接[2]，支持CSD（電路交換數據業務），支持傳真，支持USSD（非結構化補充數據業務）。

電平轉換芯片選用MAXIM公司設計的單電源MAX3232芯片，單一供電電壓＋5V，供電電流5mA，功耗比較低，適用于RS-232標準串口通信。MAX3232芯片內部分別集成兩個RS-232C驅動器和兩個RS-232C接收器，同時符合所有RS-232C技術標準，片載電荷泵既能升壓，又可以反轉電壓極性，能夠生成＋10V至－10V范圍的電壓，整個芯片集成度很高，只要有4個外接電容芯片就可以使用。

本設計中ZigBee網絡協調器與GPRS模塊之間的數據通信是通過串行通信接口來完成的，該串口符合RS-232通信標準。為了進行正常的通信，兩者間的接口電平需要進行匹配，因此選擇MAX3232電平轉換芯片實現電平轉換。轉換電路選用的是9針串口母頭，對于GPRS模塊來說方便連接；同時，MAX3232芯片的T2IN、R2OUT引腳分別與CC2530芯片的P0.5、P0.4引腳相連接。電平轉換電路如圖4所示。

圖4 電平轉換電路

在電平轉換電路中，MAX3232芯片的電源有可能通過串口電平轉換芯片工作產生的信號，影響GTM900C模塊內部的VDD信號（升高或降低），從而導致GPRS模塊無法正常工作，所以選用電平隔離電路SN74LV245來避免這種情況的發生。在SIM卡電路設計中，為保證SIM卡信號線中的信號工作可靠，需要做兩方面工作：①SIM-GND信號必須進行接地處理；②其他相關信號線要加上去耦電容，用來減少雜波和噪聲的干擾。

[1]蔡文晶.基于ZigBee技術的無線數據采集系統[D].杭州：杭州電子科技大學，2011.

[2]范燁.基于GPRS網絡的水文信息采集系統開發[D].杭州：浙江工業大學，2014.

On the Networking Combining Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on ZigBee with GPRS

DU Xin1，ZHANG Jie2，WU Xiao-fei1，ZHANG Guo-hua1

(1.Hebei Electromechanical Vocational and Technical College, Xingtai 054048, China; 2. Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China)

By studying the networking principle of ZigBee technology, this paper uses the advantages of smart digital sensors and the convenience and reliability of GPRS communication technology, combines a wireless data acquisition network with a remote information communication network, and builds an intelligent hardware platform for a remote wireless sensor network to accurately monitor the temperature and humidity parameters in various environments.

ZigBee，GPRS，temperature and humidity monitoring

1008—6129（2018）01—0052—04

2018—01—31

2017年度河北省高等學校科學技術研究項目——“基于ZigBee的無線溫濕度監測系統與GPRS融合組網研究”，項目編號：Z2017128。

都鑫（1981—），河北邢臺人，河北機電職業技術學院，講師。