基于ZigBee网络与GPRS的数据采集传输系统设计

付金勇，郭爱文

（武汉大学动力与机械学院自动化系，湖北武汉430072）

随着工业的发展，系统规模的增大，测量参数趋于多样化，迫切需要适合此状况的采集与传输系统来完成参数的收集与传送。然而传统的有线传输技术存在安装复杂，布线成本高，限制了工业通信技术的发展，虽然在有些工业情况下，单纯用GPRS进行数据传递可满足一定的工业要求，但是花费太高，并且不能排除信号采集现场没有运营商信号覆盖的可能性。工业生产现场的数据采集迫切需要一种简单的、低成本、高效率的数据采集系统。笔者采用新兴起的ZigBee短程无线传输技术与GPRS远程通信技术结合来设计满足这一需求的数据采集传输系统。

1 系统结构与原理

1.1 系统组成

系统的结构原理图如图1所示。

图1 系统的结构原理图Fig.1 Schematic structure of the system

在传感器终端，采用ZigBee无线传输系统，能够将多样化的测量变量进行收集，然后通过ZigBee网络传送到协调器节点，然后协调器节点通过GPRS模块发送，经过GPRS协议与TCP/IP协议转换，完成与Internet的连接，监控中心可以通过Internet网络进行信号的收集，完成数据的远程采集与传输过程。

1.2 ZigBee无线网络

1.2.1 Z igBee技术特点

ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线组网技术。数据传输距离依赖于输出功率和信道环境，一般在百米左右；通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延30 ms，休眠激活的时延是15 ms，活动设备信道接入的时延为15 ms，因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用；寻址方式为64 bit IEEE地址，8 bit网络地址，一台主ZigBee设备可以连接多达254台其他的从ZigBee设备，而一个区域可以建立更多的ZigBee网络；ZigBee设备可工作在2.4 GHz（全球通用）、868 MHz（欧洲通用）和915 MHz（美国通用）3个频段之上，理论上可分别达到最高250、20和40 kb/s的传输速率；ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1 mW，采用休眠模式可以使功耗很低，从而达到省电延长电源使用寿命[1]。

1.2.2 Z igBee无线网络网络结构选择

ZigBee无线传感器网络综合传感器技术、ZigBee无线通讯技术和分布式信息处理技术等，通过一定的网络结构，可以实现区域内传感器的相互协作，全方位的采集网络覆盖范围内的信息，而网络信息的传递方式以及效率取决于网络结构的设计[2]。为了充分利用ZigBee网络的灵活性与自愈性，增大网络的容量，在此选择多层次网络结构[3]，如图2所示。

图2 系统ZigBee网络结构图Fig.2 Structure diagram of the ZigBee wireless network

该网络结构由传感器节点、路由节点和协调器节点构成。传感器节点完成的主要过程是数据的采集与上传。大量的传感器节点分布在监测区域，可实现大范围、多层面、立体的数据采集，提高数据的多样性与准确性。路由节点最主要的功能便是起到数据中转的作用，接收基本的传感器节点的入网申请以及数据转传的要求，由于路由节点的加入，可以使网络具有自组织性以及一定的容错性，使无线网络覆盖范围增大，扩大网络的测量范围，这满足工业生产时收集信号的分散特性。协调器是一个ZigBee网络的中心节点，它向下组织包含路由器节点、传感器节点在内的网络组织与数据接收，向上连接GPRS网络，完成数据的远程传送。

1.3 GPRS网络技术特点

GPRS是通用分组无线业务，是由现行的GSM系统上发展起来的一种承载业务。采用与GSM同样的无线调制标准、频带、调频规则、突发结构、TDMA帧结构。GPRS采用分组交换技术，允许用户在端到端分组转移模式下发送接收数据，区别于电路交换的GSM，特别适用于频繁的、少量的数据传输，当然亦可传输大量数据，正适合工业测量领域频发、少量、实时性高的数据传输。GPRS具有“极速传送"、“永远在线”、“价格实惠”等特点。其采用IP数据网络协议，提高了现有GSM数据业务的传输速率，最高可达170 kb/s左右，当设备得到无线通道，GPRS便可以建立连接，使用户一直处于“在线”状态[4-5]。

2 硬件设计部分

2.1 无线传感器节点结构设计

图3 无线传感器节点的结构图Fig.3 Structure diagram of wireless sensor node

无线传感器节点的结构如图3所示。无线传感器节点要完成来自传感器的信息的收集、无线网络的加入、以及无线数据的发送。电路应该有电源模块、传感器模块、MCU、无线模块等部分组成[6-8]。在此采用德州仪器（TI）公司生产的CC2430，CC2430是一种真正的片上系统芯片（SOC）CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用，完全兼容ZigBee协议，该方案还满足了工业过程对低成本，低功耗的要求。该芯片内部集成了一个符合IEEE802.15.4标准的2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级高性能和低功耗的8051微控制器核，拥有8 kB的RAM及强大的外围模块。CC2430有3种不同的版本，具体表现为闪存空间的不同，分别有32、64、和128 kB。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，完全满足了要求电池寿命非常长的应用场合。

2.2 协调器结构设计

协调器节点要完成对传感器节点数据的接收，传感器节点的入网管理，监控中心数据的传输。协调器节点组成结构如图4所示。

图4 协调器节点结构图Fig.4 Structure diagram of coordinator node

无线模块采用CC2430，GPRS模块采用MC35i。MC35i是西门子生产的GSM/GPRS双模模块，它采用紧凑型设计，完全兼容于在它之前的西门子MC35系列产品，支持EGSM900/GSM1800双频，支持GRPS Class 8/Class B，可以为用户提供了便捷、嵌入式的GPRS无线模块的连接。MC35i工作在GPRS状态时，下行最大速率85.6 kb/s。接口：40 pin，包括电源、3 V SIM卡、RS232接口、语音、控制等管脚/50 Ω天线接口。MC35i的GPRS模块可实现永久在线功能，具有高速数据传输速率、体积小巧、功耗低等特点，能提供数据、语音、短信、传真功能，在本系统中完全满足数据的传输速率要求。

3 软件设计部分

3.1 协调器软件设计

协调器的作用是向上通过GPRS模块发送数据给监控中心，向下管理ZigBee无线网络，从功能上分类属于FFD（fullfunction device）节点。协调器节点与GPRS模块部分的通讯时，协调器发送的报文格式遵循指定的格式，便于监控中心解析报文内容，便于数据的通用。

GPRS数据收发模块设计采用线程编程，一要完成GPRS数据的发送，二要监视来自串口的数据。软件采用C语言编写，程序流程如图5所示。

图5 GPRS模块发送接收流程图Fig.5 Flow chart of sending and receiving designed for GPRS module

协调器管理ZigBee网络，需完成组建网络，扫描来自路由节点和传感器节点的入网请求信号，存储路由节点编码号。

3.2 传感器节点与路由节点软件设计

传感器软件部分要完成数据采集，数据处理与发送等功能。路由节点不仅要有传感器节点的功能，而且还具有数据转发的功能，是FFD（full-function device）节点。为节省电源，传感器节点采用睡眠唤醒机制，满足电池供电要求。由于电源损耗主要是由于无线数据的收发，而在没有采集的时间段内，无线模块的工作便是能量的浪费，因此程序设计为在没有接收到时钟信号的唤醒命令之前，传感器节点的无线收发模块处于睡眠状态，延长电池的使用寿命，程序流程如图6所示。

图6 传感器节点程序流程和路由节点程序流程Fig.6 Flow chart of sensor node and routing node

4 结论

笔者提出的数据采集传输系统建立在（SOC）CC2430芯片上，通过建立ZigBee无线传感器传输网络，将测量范围的数据通过传感器节点采集，路由节点中转，协调器节点汇集数据，完成现场的数据采集的一次作业，再通过GPRS通讯网络将数据传递到监控中心，实现数据的远程传输过程作业，整个实现过程简捷，具有可操作性，ZigBee无线网络可以应对CAN布线、布线代价高昂以及无法使用GPRS传输等工况更适合苛刻的工业要求，笔者的ZigBee无线网络具有一定的自组织性，网络探测范围广，可实现广泛区域内的数据采集，采用不同的传感器可以采集多样的现场信号，满足不同的系统要求。经实际验证，本系统具有可行性。

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