谢 飞 刘新生 摘 要：从无线传感器网络入手，提出了一种基于Zigbee和GPRS网络的系统。阐述了基于Zigbee和GPRS网络的无线传感器网络的系统结构，分析了Zigbee无线传感器节点、Zigbee汇节点和GPRS数据模块、Zigbee汇节点和传感器节点之间基于需求时唤醒的工作模式以及Zigbee模块初始化过程。阐述了上位机软件的工作流程和监控软件的功能。
关键词：Zigbee GPRS 无线传感器 汇节点
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2006）10-0103-03
一、引言
无线传感器网络(wireless sensor network) [1]是一个热点的研究领域，它在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域[2]有着广泛的应用前景。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。
GPRS网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GPRS通信网本身具有较强的数据纠错能力[3]，数据传输率较高可达144kbit/s能够保证数据传输的可靠性和实时性，本文提出的网络实现采用BENQ M22模块作为GPRS网数据传输终端。Zigbee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准[4]。Zigbee技术具有三个工作频段，本文提出的无线传感器网络工作在2.4GHz 全球通用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）免付费频段上，划分为16个信道，在该频段上，数据传输速率为250kb/s。用Zigbee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的BENQ模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，Zigbee技术、GPRS网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴的无线传感器网络，必将有广泛的应用前景。在本文第二节将详细介绍实现基于Zigbee的无线传感器设计，在第三节介绍上位机系统的设计与实现。
二、基于Zigbee无线传感器网络
到目前为止，Zigbee技术在国外已经在家庭网络、控制网络、手机移动终端等领域有了一定的应用，但是现有Zigbee技术构成的网络每个接入点所能接纳的传感器的节点数远远低于协议所标称的255个，为了达到传感器网络密集覆盖的目的，就必须进行复杂的组网，这不仅增加了网络的复杂性，还增加了网络整体的功耗，降低了传感器节点的寿命。本方案则基于每个传感器节点和汇节点之间通信量较小的特点，提出了一种基于需求时唤醒(Wake up On-demand )的星型网络拓扑模式，需求时唤醒的基本思想就是传感器节点在监测的环境发生变化时，传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信并上报相关信息；否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点功耗并拒绝接受非法的连接访问请求，大大降低了接入汇节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。
1．传感器网络的系统结构
本文提出的无线传感器网络是基于Zigbee并采用GPRS进行数据通信传感器网络，它是由大量的无线传感器节点、汇节点和GPRS数据传输模块组成的分布式系统，如图1所示。基于簇(Cluster)的分层结构具有天然的分布式处理能力，簇头就是分布式处理中心即本文无线传感器网络的一个汇节点，每个簇成员（传感器节点）都把数据传给簇头，数据融合后直接传给GPRS数据传输。中央控制中心通过GPRS网络与多个汇节点连接，汇节点和传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点；控制中心通过GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。
图1 网络结构
（1）Zigbee无线传感器节点
对于一个完整的传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0dbm～3.6dbm，通信距离为30米～70米，具有能量检测和链路质量指示[5]，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本文提出的无线传感器网络其节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在传感器网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给汇节点数据碰撞的概率。在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。
本文提出的无线传感器节点的硬件结构由Zigbee模块、硬件检测电路和定时器组成[5]。硬件检测电路检测传感器节点所在的环境，当环境发生变化时，触发Zigbee模块的I/O中断将信息传送给Zigbee模块，模块从睡眠状态唤醒，模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，再以无线的方式传送给汇节点。
（2）Zigbee汇节点和GPRS数据模块
分布在传感器网络中的汇节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给BENQ数据模块通过GPRS网络传递给中央信息控制中心。Zigbee无线传感器网络中的汇节点及其GPRS数据模块其硬件模块如图2所示，它由Zigbee模块、微控制器、GPRS数据模块组成。Zigbee模块和微控制器之间的连接是通过异步串行口实现的，它们之间的通信速度为38.4kBaud，由于传感器网络中分布着多个汇节点，因此微控制器要利用软件中断实现对不同ID汇节点上传数据轮询扫描，使汇节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。汇节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。
图2 汇节点和GPRS模块结构
2．Zigbee汇节点和传感器节点之间基于需求时唤醒的工作模式
为了增加Zigbee无线传感器网络的容量以及解决传感器网络中一个重要的能源供给的问题，对于Zigbee传感器网络核心之一——Zigbee汇节点和传感器节点之间的通信。本网络采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以大大节省传感器节点的功耗，减少信息上报的时的碰撞概率，延长网络的寿命。下面详细讨论一下Zigbee汇节点和传感器节点之间的通信过程，即它的初始化过程和信息处理过程。
（1）Zigbee模块初始化过程
Zigbee模块进行通信之前需要进行有效的初始化。在初始化通信过程中，汇节点主动广播连接信令，在传感器节点成功地接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向汇节点返回确认帧，传感器节点的Zigbee模块被置于Sleep工作模式，接下来汇节点与传感器节点进行主从角色转换，汇节点模块处于从模式工作状态，等候响应连接请求信令；此时传感器节点中的Zigbee模块工作在主模式下，等待着有需求时唤醒发起连接请求。在初始化结束后，传感器节点Zigbee模块工作于Sleep模式，拒绝任何的连接请求。这种设计大大降低了传感器节点的功耗；并且传感器节点只是在有需求时唤醒并主动与汇节点建立连接，从而有效地控制了其他网络中Zigbee物理射频以及其他传感器节点和汇节点的非法连接请求，保证了汇节点和传感器节点间通信的安全可靠。
三、基于BENQ模块的上位机软件设计与实现
中央信息控制中心由监控软件、配置模块、数据库三个部分组成。它通过GPRS网络与多个汇节点间接连接在一起，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同ID的汇节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。
图3为上位机主程序流程图。
图3 上位机主程序流程图
监控软件就是把采集到的数据包进行处理。从数据包中获取汇节点ID信息，读取汇节点传感器节点的探测到信息。软件把信息进行分类，然后存储到数据库中。软件的用户界面上就会显示汇节点当前的最新信息，并且给予提示，使管理人员能在第一时间得到传感器的信息。监控软件用户界面如下图4示：
图4 用户操作界面信息
监控软件的功能：为每个汇节点建立一个用户登记记录，每条记录包括汇节点和传感器节点的位置信息，管理者可以对节点信息进行查询，修改、添加节点的相关信息。能在后台运行程序。当发生报警时，能弹出主界面，提供报警信息，如：装置的位置信息会变换颜色，同时任务栏中会显示当前的最新信息。能对单个的节点信息进行查询。能看到节点历史信息以及对节点信息处理的状态信息（如对信息进行如何处理，是由何人值班，是否有无签名）。用户能对数据库进行备份处理。监控软件能提供给汇节点或者用户手机发送短信功能。
四、结语
本系统采用星型拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每个Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率；利用GPRS网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制。无线传感器网络与Zigbee技术的结合有着广泛的应用前景，本文提出的Zigbee技术和GPRS网络实现的低成本、低功耗的无线传感器网络的系统方案，在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和无线抄表系统[2]有着广泛的应用前景。
参考文献
[1] I.F. Akyildiz, W.Su, Y. Sankarasubramaniam and E. Cayirci. Wireless sensor networks: a survey
[2] Estrin,D. “Wireless sensor networks：application driver for low power distributed systems”. Low Power Electronics and Design, International Symposium on，2001，page:194．
[3] 赵长奎．GPRS数字移动通信系统[M]．北京：国防工业出版社.2001
[4] Zigbee technology and applications: Freescale Technology Forum
[5] http://www.freescale.com/Freescale Document MC13192.pdf. 2004 |
