基于ZigBee-GPRS技术的无线传感网络

基于ZigBee-GPRS技术的无线传感网络作者：冼土明徐杜蒋永平曾衍仁来源：《软件》2011年第01期摘要结合ZigBee和GPRS技术，提出了一种基于二者优势互补的无线传感网络系统实现方案。

该方案综合ZigBee技术在短距离、低功耗无线通信和GPRS网络远程数据传输的优势，利用具有ZigBee收发功能的芯片MC13192设计多种类型传感器节点、具有GPRS通信功能的芯片GR47设计ZigBee-GPRS网关，实现了多种参数的实时与远程监控。

其技术具有广阔的应用前景。

关键词 ZigBee；GPRS；无线传感器节点；MC13192；GR47中图分类号 TN92文献标识码A doi:10.3969/j.issn.1003-6970.2011.01.014ZigBee-GPRS Based Wireless Sensor NetworkXIAN Tu-ming 1XU Du 2JIANG Yong-ping 3ZENG Yan-ren 41，2，3，4(Faculty of Information Engineering, Guangdong University of TechnologyGuangzhou 510006, China )【Abstract 】 Combining the ZigBee and GPRS technology, a new wireless sensor network system with complementary strengths is proposed. The system integrated the advantage of short-range, low-power wireless communication in zigbee and remote data transmission in GPRS network. The sensor node is made up ZigBee transceiver chip MC13192and the ZigBee-GPRS gateway is made up communication chip GR47. The system can send a variety of parameters in real time and achieve remote monitoring. The technology features very broad application prospects.【Key words】ZigBee；GPRS；Wireless sensor nodes；MC13192；GR470 引言随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本没备近距离无线通信要求的ZigBee技术。

ZigBee网络面向的是短距离与低速率的通信，而GPRS网络面向的是远距离通信，两者的融合能够实现优势互补、建立一套组网灵活，扩展性强，安全可靠的远程无线监控网络。

因此，Zigbee结合GPRS的无线测控网络构架应用性非常强，具有完全无线的测控特点，在智能家居、工业控制领域和公共安全等中具有重要的地位和广阔的应用前景。

1 系统中的关键技术1.1 ZigBee技术ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，以2.4GHz为主要频段，采用DSSS(直接序列扩频)技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。

ZigBee协议是以IEEE802.15.4标准组织作为物理层和介质访问层。

物理层分别由2.4GHz和869/915 MHz组成。

主要负责发送端和接收端建立物理链路。

介质访问层主要是实现各个节点之间无线通信信道的建立和维护，并确认该模式的帧的传送和接收。

ZigBee 无线网络有3种拓扑结构：星型、簇型和网络型[1]。

本文采用的是网络型结构，在这个结构中精简功能设备RFD(Reduced Function Device)主要是简单的控制应用。

全功能设备FFD（Full Function Device）是网络的主协调器，可与所有的节点通信。

而RFD只能与协调器通信。

网络协调器是整个无线网络的主控制器。

1.2 GPRS技术通用分组无线业务GPRS是以全球移动通讯系统(GSM)为基础的数据传输技术。

它不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可直接与Internet互通。

GPRS业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等领域中具有无可比拟的性价比优势。

自从2002年中国移动开通GPRS业务以来，这项技术的应用己经十分成熟，GPRS技术越来越多地被应用到各个领域。

2 系统硬件设计主要的实验环境要求：单片机MC9S08GT60，MC13192，GR47，FLASH，相关传感器等电子元器件，LED显示器，测试手机，监控电脑终端，CodeWarrior开发平台（针对ZigBee网络），M2mpower集成开发环境（针对网关）。

2.1 系统总体结构系统的总体设计如图1。

本测控网涉及两个部分: ZigBee网络、ZigBee-GPRS网关，而GPRS网络及Internet网可直接利用现成的，只需进行简单的网络设置就能利用。

2.2 ZigBee的网络节点设计ZigBee网络有两类节点：固定节点和移动节点。

根据实际需要来设定节点是否移动。

移动节点和固定节点就形成了一个大规模的ZigBee无线传感器网络。

数据通过协调器（可为固定节点或移动节点）传输到ZigBee-GPRS网关，再由网关经GPRS网络与远程监控中心进行通信。

节点主要由数据采集模块、数据处理模块、ZigBee通信模块、供电模块、驱动模块和报警装置组成。

其结构如图2。

(1)数据采集模块主要是由测量参数的各种传感器组成，测量的数据通过AD转换输送到数据处理模块。

(2)数据处理模块数据处理模块采用飞思卡尔8位单片机HCS08GT60。

HCS08GT60作为ZigBee无线传感网络节点管理的单片机，是节点数据处理模块的重要组成部分。

HCS08GT60单片机是一个超低功耗微处理器，其电流值是5mA～7mA，当芯片处于“休眠”模式时，其所需电流小于0.1mA。

(3)ZigBee通信模块ZigBee通信模块由MC13192构成。

MC13192是飞思卡尔生产的符合IEEE802.15.4标准的无线收发芯片。

其主要特点是：工作频带为2.4GHz。

具有直接扩频序列基带调制解调，芯片采用16通道和250kbps的有效数据传输速率，低电流消耗。

(4)驱动模块用于驱动连接到节点的执行器，实现节点的控制功能。

(5)其他模块供电模块是整个系统的动力源泉。

报警模块是当所测的参数超过规定的临界值时，就发出警报，从而为监测人员和现场工作人员提出警示。

2.3 ZigBee-GPRS网关设计网关主要负责ZigBee和GPRS的双向数据转换及协议转换，网关结构如图3所示。

包括主处理器(HCS08GT60)、存储单元(FLASH)、射频收发模块(MC3192)、其实质就是一个ZigBee节点和GPRS通信模块(GR47)。

GPRS无线模块与ZigBee汇接点之间采用UART连接。

此外，考虑到ZigBee汇接点内存较小，GPRS无线模块内存也有限，通过SPI接口外接一个块FLASH作为缓存。

索尼爱立信GR系列的芯片GR47是带有GSM/GPRS全套语音和数据功能的先进无线模块，内置TCP/IP协议[3]。

其主要特点是：应用范围非常广，可用于无线抄表、无线监控、GPS车载终端、无线公话、无线POS机、无线PDA、无线数传等等；GR47完全兼容GM47的所有硬件接口，提供原GM47用户无缝升级；群组应用对嵌入式控制器的访问：数据、传真、SMS和语音，双波段EGSM900/180MHZ；扩展IO：GPRS B类有4+1个数据通道。

本无线测控网络实时的响应监控中心的控制命令，按照监控中心发来的命令进行特定的数据采集任务。

也可以采用按事先设定好的时问间隔，经ZigBee网络周期性地采集环境数据，由GPRS模块实时地传送到监控中心。

至此，系统的主要硬件平台基本搭建完成。

该无线传感网络系统可用于环境温度监控，将ZigBee节点放置监控区域内，各节点能够自主形成监控网络，每个传感器终端节点搜集周围环境的温度、湿度等信息，这些终端节点将采集到的环境信息传送给ZigBee网络中的协调器，协调器对环境信息进行处理后再通过无线传感网络传至ZigBee-GPRS网关节点，由网关节点通过GPRS网络将温度等信息发送到监控管理中心，监控人员根据检测信息及时进行决策和处理。

3 系统中的关键技术3.1 ZigBee网络组建过程协调器先通过NLME-NETWORK-FORMA-TION.request[2]原语来启动一个新的网络建立过程，在系统中仅仅是协调器具有组建网络的功能。

当协调器的NLME(网络层管理实体)收到的请求原语有效时，NLME请求MAC子层在指定或默认的信道上执行能量检测扫描，搜索可能存在其他噪声等多种信息的干扰。

最后通过NLME-NETWORK-FORMA.TION.confirm证实原语完成ZigBee网络的建立。

设计中使用分布式地址分配方案来分配ZigBee网络地址，采用对等网络结构构建网络，监测器作为父设备，无线节点作为子设备。

终点站的父设备作为网络协调器启动网络的建立，选择一个信道，确定唯一的PAN地址并广播建立网络信息。

该父设备建立网络后，设置自身地址为0X0000，其他监测器作为路由器、无线节点作为终端节点加入网络。

具体流程见图4。

为了节省传感器终端节点的能量，节点的无线通信模块平时处于休眠状态，只有在温度等环境发生突变或ZigBee-GPRS网关节点要求采集、传送数据时才打开，也就是说当事件发生时，唤醒系统，开始进入事件处理程序，结束后继续进入低功耗的休眠模式，这种软件架构可以极大地降低系统的功耗。

综合节能的要求和温度监测的特点，传感器终端节点由单片机处理器内部时钟定时，每隔一定的时间（比如可以设定为10分钟或15分钟等等）采集一次数据，并将其与前一次采集到的数据进行比较，如果差别不大，就将新数据存入外部存储器FLASH 中，覆盖掉旧的数据。

如果数据发生了变化就打开无线通信模块，启动传送时序。

在需要对所有节点的温度进行采集时，可通过手机向ZigBee-GPRS网关节点发布命令，将所有节点的无线通信模块打开，传感器终端节点将数据发给协调器节点，再由协调器节点将数据发给ZigBee-GPRS网关节点。

通过手机发布指令，网关节点可以选择对所有传感器终端节点温度进行采集，也可以对某一传感器终端节点进行单独采集。