基于ZigBee网络与GPRS的数据采集传输系统设计

1、图1系统的结构原理图Fig. 1Schematic structure of the system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）摘要：为解决工业生产现场信号采集具有布线复杂，信号多样，环境恶劣等问题，笔者提出基于ZigBee 无线传感器网络和GPRS 网络的集数据采集与传输于一体的系统设计方案与实现。系统给出了节点硬件设计方案以及软件的实现方案。该系统采用CC2430型号的SOC ，完成数据采集与无线网络组建，再通过GPRS 模块将数据发送至远程监控中心。该系统具有结构简单，功耗低，节点灵活等优点，

2、实现了无线条件下的数据采集与远程传输。关键词：ZigBee 无线网络；GPRS 网络；CC2430；无线传感器节点中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：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稿件编号：201105039作者简

6、介：付金勇（1990），男，山东日照人。研究方向：模式识别，嵌入式系统。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

7、系统组成系统的结构原理图如图1所示。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。ZigBee 技术特点近距离、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30ms ，休眠激活的时延是15ms ，活动设备信道

8、接入的时延为15ms ，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64bit IEEE 地址，8bit 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2.4GHz （全球通用）、868MHz （欧洲通用）和915MHz （美国通用）3个频段之上，理论上可分别达到最高250、20和40kb/s的传输速率；ZigBee电子设计工程Electronic Design Engineering第19卷Vol.19第 14期No.142011年7月Jul.

9、 2011163电子设计工程2011年第14期的传输速率低，发射功率仅为1mW ，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。 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。 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

10、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。1.3GPRS 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

11、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170kb/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

12、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32、64、和128kB 。CC2430芯片采用0.18m CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA 或25mA 。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。无线模块采用C

13、C2430，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/ClassB ，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85.6kb/s。接口：40pin ，包括电源、3V SIM 卡、RS232接口、语音、控制等管脚/50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

14、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 （full -function 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 语言编图2系统ZigBee 网络结构图Fig. 2Structure diagram of the ZigBee wireless network图3

15、无线传感器节点的结构图Fig. 3Structure diagram of wireless sensor node写，程序流程如图5所示。 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

16、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。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

17、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。参考文献：1李皓. 基于ZigBee 的无线网络技术的应用J.信息技术，2008，32（1）:12-14.LI Hao. Wireless network technology based on ZigBee and its applicationsJ.InformationTechnology ，2008，32（1）:12-14.2孙利民. 无线传感器网络M.北京：清华大学出版社，2005：407-417.3杨玺. 面向实时监测的无线传感器网络

18、M.北京：人民邮电出版社，2010.4韩冰，李芬华.GPRS 技术在数据采集与监控系统中的应用J.电子技术，2003，30（8）:26-29. HAN Bing ，LI Fen -hua. Application of GPRS technology SCADA systemJ.Electronic Technology ，2003，30（8）:26-29.5郭泽辰. 基于GPRS 的远程自动水文监测网络J.电力系统通讯，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高守玮，吴灿阳.ZigBee 技术实践教程基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案M.北京:北京航空航天大学出版社，200