ZigBee GPRS无线远程监控技术设计与研究.pdf

ZigBee+GPRS 无线远程监控技术设计与研究摘要：随着人们安全意识的提高，人们对防火的要求也越来越高，由此得到启示，本文将短距离高速率传输的 ZigBee网络和远距离低速率传输的 GPRS 网络结合起来，充分发挥两者的优势，使得在恶劣复杂环境下实现远距离无人监控成为可能或现实。本文首先介绍了 ZigBee 技术相关的基本知识，然后介绍了 GPRS 基本理论。最后进行了 ZigBee 网络与 GPRS网络之间网关的软硬件设计研究。关键词：ZigBee GPRS 远程监控中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）10-0000-00科技进步给预防火灾、爆炸等意外事故提供了有力的保障。由于无线传感器网络可以在无人的环境下工作，可以适应更恶劣的环境，所以各国都非常重视无线传感器网络在防火等系统中的应用。西方发达国家在无线传感器网络技术在防火等方面的研究和应用比我国早很多，如 Inter corp 在新型计算发展规划中指出将侧重于微型传感器网络在森林灭火等领域的研究。我国对无线传感器网络的研究起步较晚，技术还不太成熟，所以无线传感器网络在防火系统中的应用还不是很广泛。1 无线远程监控系统大多数的无线远程监控系统由远程监控中心、无线传输系统、远程监控终端网络三部分组成。远程监控终端网络负责完成对现场信息的采集，由远程监控中心下达管理命令；无线传输系统主要负责采集到的数据和控制命令的传输；远程控制中心负责处理收集到的监控信息和发送管理命令给远程监控终端网络。2 ZigBee 技术2.1 ZigBee 技术简介ZigBee 技术是一种短距离、低速率、低功耗的无线通信技术，以 IEEE802.15.4 为标准，ZigBee 协议与 IEEE802.15.4标准在物理层、媒体介质访问控制层是相同的，但是它重新定义了网络层和应用层。ZigBee 工作在 ISM 频段，有2.4GHz频段和 868/915MHz 频段，传输距离一般在 10m 到 1000m。一台 ZigBee 设备可以连接多达 254 个其他 ZigBee 设备。2.2 设备类型ZigBee 网络三种设备类型：协调器节点、路由器节点和终端节点。ZigBee 网络中只有一个协调器节点，但是可以有多个路由器节点和终端节点。协调器节点负责搭建网络。2.3 网络拓扑结构ZigBee 网络拓扑结构有星型、树形、网状三种结构。星型网络以协调器节点为中心，多个终端节点分布在周围，各节点间彼此并不通信，数据和网络命令都通过协调器节点传输。2.4 网络工作模式ZigBee 网络有两种工作模式，分别是信标模式和非信标模式。信标模式下，协调器以一定的时间间隔向网络中其他节点广播信标帧。非信标模式下，协调器和所有路由器都处于唤醒状态，而只允许终端设备进行定期休眠1。为了降低功耗，终端节点大多数的时候处于休眠状态，在需要采集数据时才会被唤醒。2.5 网络地址分配ZigBee 节点地址分配有两类。一类是设备生产固有的 64位物理地址。这些地址由 IEEE 来维护和分配。另一类是由ZigBee 协调器节点分配给设备的 16 位网络地址，该地址也称短地址。2.6 ZigBee 路由过程AODV 协议是一种按需路由协议，ZigBee 网络中就是使用 AODV 协议建立、维护ZigBee 路由表。也就是说只有当网络节点需要建立连接时，节点才广播一个连接请求。当路由器接收到节点发送的数据包后，如果发送数据包的路由器和数据包要到达的目的节点直接相连，则两者直接传送。如果没有直接相连，路由器就会查询自己已经保存的路由表，看是否有与目的节点地址相符的路由表记录。如果有，则将数据包发送到该路由器上，然后传送到目的节点。如果没有，则将要发送的数据包暂时放入缓存中，重新建立传输路径。2.7 ZigBee 组网ZigBee 组网一般分为两步，首先是网络的建立，然后是设备入网。在 ZigBee 网络中，协调器是唯一能发起新的网络建立的设备。新网络的建立过程通过NLME_NETWORK_FORMATION.request原语开始。网络层在收到请求后首先通过NLME_SCAN.request原语要求MAC层对信道能量进行扫描，MAC 层通过 NLME_SCAN.confirm 原语将扫描结果报告给网络层。如果不能扫描到空闲信道则意味着无法完成新网络建立的任务；如果扫描到空闲信道，就会分配一个 PAN ID和 16 位短地址给协调器。然后网络层通过MLME_SET.request原语和 MAC 层进行相关参数设置，设置完成后，网络层利用 MLME_START.request原语调用程序开始建网1。节点设备进入网络的方式有两种，即子节点请求入网和父节点邀请其加入这两种。当新的设备节点加入网络后，节点之间对应的父子关系就会产生。新设备为子节点，则另一设备为父节点2。ZigBee 网络中，只有协调器或路由器节点才能接受一个加入请求，而终端节点不可以。3 GPRS 技术3.1 GPRS 概述GPRS 既可以传输语音也可传输数据，只是两者采用的方式不同而已。传输语音用 TDMA 方式而传输数据用分组方式。另外，GPRS 技术还具有实时在线、按流量计算等优点。GPRS是在 GSM 基础上增加分组交换模块而实现的无线通信网络，它还可以借助 GSM 网络，实现广域无线连接。只要在有 GSM网络的地方，就可以使用 GPRS 技术3。3.2 GPRS 网络结构GPRS 实际上是在 GSM 网络结构的基础上增加 SGSN、GGSN 等功能实体而形成的网络。将分组交换技术引入到GPRS 网络中，从而使得 GSM 网络可以实现对数据服务的支持。GPRS 网络系统结构如图 1 所示。3.3 GPRS 组网方式GPRS 组网方式有三种。这三种组网方式分别是：（1）中心采用INTELNET 公网连接固定 IP 的方式。这种方式组网前必须向运营商申请一个固定的 IP 地址。该种方法的缺点是费用高，优点是建立通路时间短、数据收发快。（2）中心采用 APN 专线接入+内网固定 IP 的方式。这种方式中心通过 APN 专线接入 GPRS 网络，路由之间利用内网 IP 地址进行连接。此方法的优点是稳定性强、安全性高，成本低。（3）中心采用APN 专线+GPRS MODEM 方式。这种方式组网前需要开通 APN 专网业务，通过 MODEM 绑定内网固定IP。此方法的优点是无须进行 DNS 解析，稳定性强，性价比合理。在实际应用中，我们需要根据不同的应用情况选择合适的组网方式。4 ZigBee+GPRS 网关设计在传统的无线传感器网络中，节点由于自身结构的限制，其计算能力和带宽等都非常有限，并且节点间大都采用点对点的通信方式，因此整个网络的整体性能普遍较低。网关是连接 ZigBee 网络和 GPRS 网络的纽带，网关主要负责 ZigBee网络和 GPRS 网络之间数据传输和协议转换。在 ZigBee 网络采集到数据后，网关将通过 GPRS 网络将数据传给远程监控中心，同时监控中心也可以通过网关发送控制命令控制到ZigBee 网络节点。网关节点中，数据存储容量和数据处理能力都比普通节点要强很多。为了增加无线传感器网络的健壮性，ZigBee 网络节点将采集到的数据融合后再传送给网关，然后网关使用 GPRS 网络将融合后的数据转发给远程监控中心，这样就实现了ZigBee 网络和 GPRS 网络之间的协议转换和数据传输。网关使近距离通信和远距离通信连接起来，将远距离监控变成可能 4。4.1 网关硬件设计网关硬件设计时，采用 Chipcon 公司的 CC2530 芯片实现近距离通信功能。CC2530 模块本身已经固化了 ZigBee 协议栈和内置 8051 单片机内核，只需要进行简单电路扩展就能够实现射频收发。另外采用西姆通公司的 SIM900B 实现远距离通信功能。通信时，网关与 SIM900B 模块之间使用 RS232串口传递控制指令和数据。这些控制指令能够控制 SIM900B模块登陆网关的过程，登录成功后，网关便能够传送数据给监控中心了。利用 CC2530 模块、CPRS 模块进行网关硬件开发时，由于 CC2530 有内置的 CPU，使得硬件开发起来很容易。硬件设计的关键是解决 ZigBee 网络的协调器模块和 GPRS 模块之间如何通信的问题。在这里直接使用 RS232 端口进行两者之间的连接和通信。设计时可以很容易的把 ZigBee 协调器节点和 GPRS 模块组成一个模块，此外还需要进行一些电源和接口的设计。网关节点一般由射频收发模块、单片机、存储模块、GPRS 通信模块组成，也可根据实际情况需要，相应的增加其他模块（如显示模块等）。网关结构图如图 2 所示。4.2 网关软件设计网关是连接 ZigBee 网络和 GPRS 网络的桥梁。网关不但要接收 ZigBee 网络采集到的数据和监控中心发出的控制命令，同时还要将传感器采集到的数据上传到监控中心。因此在网关上应该具有以下模块：GPRS 和以太网交互模块；串口读写模块；命令映射模块；协议转换模块；日志管理和配置模块；数据上传和命令代理5。系统加电以后，首先进行应用程序初始化。初始化完毕后对网络进行监听，如果有外部事件中断产生，则根据判断响应类型的结果进行相应的数据处理。其工作流程图如图 3 所示。根据前面的硬件设计，网关程序设计主要有协调器节点程序设计和 MSP430F149 的程序设计。（1）协调器节点程序设计。协调器节点有两个作用：进行组网；连接 ZigBee 网络与 MSP430F149，使两者之间能够互相通信6。（2）基于 MSP430F149 的程序设计。网关设计中，MSP430F149 能够使 ZigBee 网络和远程监控中心的后台服务器相连，这就实现了远程监控中心管理员对远端 ZigBee 网络的管理。管理员在监控中心发送控制命令即可掌握 ZigBee 网络的实时运行状态。MSP430F149 通过 UART0 与 SIM900B 通信，启动时先要初始化 SIM900B 模块并与互联网建立连接。5 结语本文将短距离高速率传输的 ZigBee 网络和远距离低速率传输的 GPRS 网络结合起来，充分发挥两者的优势，使得在恶劣复杂环境下实现远距离无人监控成为可能或现实，根据应用场景，在设计时，对各个部分中所涉及到的具体技术要点采用各个击破的思想来一一实现。本文所提出的设计可能还有不足之处，还有待改进。参考文献1高守玮，吴灿阳主编.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，2009（6）.2黄亮.面向无线传感器网络的嵌入式声像采集系统设计D.浙江：杭州电子科技大学，2011.3陈勇，杨明辉.基于 GPRS 模块的无线通信系统设计J.软件导刊，2010（12）.4冼土明，徐杜等.基于 ZigBeeGPRS 技术的无线传感器网络J.软件，2011，32（1）.5黄小波.基于 GPRS 的无线传感器网络网关的设计与实现J.自动化应用，2010（7）.6黄兴.基于嵌入式平台的钻井工程无线监控系统研究D.湖北：湖北工业大学，2010.收稿日期：2015-09-08作者简介：吕剑锐（1989），女，汉族，内蒙古赤峰人，工学硕士，单位：沈阳理工大学计算机应用技术专业，研究方向：系统监控与网络管理技术；魏长军（1962），男，汉族，辽宁沈阳人，副教授，工学硕士，单位：沈阳理工大学计算机应用技术专业，研究方向：系统监控与网络管理技术。