CN202602907U

CN202602907U - 一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***

Info

Publication number: CN202602907U
Application number: CN2011205372708U
Authority: CN
Inventors: 孔令成; 孙庆元; 张志华; 缪琴; 陈海霞
Original assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Current assignee: Institute of Advanced Manufacturing Technology
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2021-12-20

Abstract

本实用新型属于无线传感网络通信领域，特别涉及一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***。目的是为了满足有线监测***数据传输中存在的不足，以及一些特殊环境对无线监测***的迫切需求，提供一种GPRS网络和ZigBee网络相结合的无线监控***。本实用新型设计***具体包括：ZigBee网络数据采集层、GPRS网络数据传输层和PC机作为管理层的监控中心。本实用新型所提出的一种结合GPRS的ZigBee网络的无线监测***，保证了数据的可靠和实时传输，减少了投资和维护费用，通信质量更好，功耗较低、减轻了相距较远时通信存在的不足之处。

Description

一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***

技术领域

本实用新型属于无线传感网络通信领域，特别涉及一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***。

背景技术

监测***在工业控制领域中有着十分重要的意义。在许多控制领域的公共场合，尤其在一些无人值守、分散的现场，需要实时采集很多重要数据，以便及时了解和分析现场的状况，并根据实时情况发送必要的控制命令。而传统的监测***一般都需要自己建设并维护有线或者无线的通信网络去实现，投资维护费用较高，且有线的数据传输方式在很大程度上限制了应用场合的拓展，如对相距很远的生产过程如电力、铁路、采矿和大型钢厂等进行监测，若采用有线方式，在技术与经济上不可取。原有的监测***已经越来越不能满足日益增长的多方面的需求，我们需要通信质量更好，成本更低的通信方式。

伴随无线通讯技术的发展，出现了一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信的ZigBee技术ZigBee是基于IEEE802.15.4无线标准的有关组网、安全和应用软件方面的技术，且ZigBee协议是免专利费，可有效的降低设备成本，工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHZ，即是没有使用费的无线通信，主要用于自动控制、远程控制领域及家用设备联网。GPRS是通用分组无线业务的简称，该技术建立在GSM网络基础上，是一种高效、高速、经济的无线通信方式。GPRS网络覆盖范围广，性能较为完善，数据纠错能力强、适应性强、数据传输率较高可达128kbit/s能够保证数据传输的可靠性和实时性。由于GPRS网络数据传输的高速性和使用成本的低廉性，当前对GPRS在无线监控方面的开发和应用如火如荼，GPRS是目前远程无线监控***中性价比最高的通讯方式。用ZigBee技术组成的无线传感器网络成本低、体积小、结构简单；采用GPRS网络进行数据传输的模块功耗低、体积小，适合作为无线传感器网络的数据节点。因此，将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监控网络，必将有广泛的应用前景。

目前，传统的有线监测和控制方式正被新技术所取代，有线的非功率传送的通讯和监测***由于线路安装和维护成本高昂，随着时间的推移可靠性难以保证，而且网络组织一经安装完毕难以更改，除非再次布网，而无线的通讯和控制传送网络由于低成本、低功耗、组网方便正日益得到广泛的应用。由于ZigBee网络的有效通讯范围一般为10～300m，对在空间上相对分散、距离较远的单位之间，各个ZigBee网络网内或网间控制数据的传送距离会很远，有可能超过ZigBee网络的有效覆盖范围。而由ZigBee技术构成的局域网本身也存在联网的需要，而空间距离非常大的广域网的运行和维护成本较高。而采用GPRS传输技术将会节省大量运行和维护费用，相对来说较经济。

文献“基于Zigbee技术无线温度监控***的设计与实现”(闫德立，胡立强，高占风.《物流工程与管理》，2009，31(7)：64-65.)中，提出了以PIC18F4620为控制器，CC2420为射频模块，DS18B20为温度传感器所组成的温度监控***节点的设计与实现，通过将ZigBee技术应用于传统的温度监测***，扩大了监测***的应用范围。但是，此方案若是监控中心离现场温度监控距离较远的情况下，数据传输可能超出ZigBee有效传输距离，将不能保证数据传输的可靠性和实时性。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了满足有线监测***数据传输中存在的不足，以及一些特殊环境对无线监测***的迫切需求，提供一种GPRS网络和ZigBee网络相结合的无线监控***。

本实用新型设计***具体包括：ZigBee网络数据采集层、GPRS网络数据传输层和PC机作为管理层的监控中心。所述的ZigBee网络数据采集层主要将一定数量的传感器节点，采用基于IEEE802.15.4标准的ZigBee协议组成无线网络，该网络主要包括协调器、路由器、和终端设备，其中协调器检查网络环境，扫描网络信道，并发送组网广播，通告网络的PAN ID以及自己的64位MAC地址，然后选择一个空闲信道，建立网络，等待其它节点设备的入网请求，并作为网关也即汇聚节点与GPRS通讯模块通信，GPRS通讯模块与外部Internet外部网络相连；路由器及终端设备扫描信道，搜索信道空闲状态，发送信标帧，发现网络后向协调器发出入网请求帧，协调器准许后会分配网内地址给请求设备，至此形成了一个ZigBee无线网络。路由器不仅可以大大扩展网络数据传输的距离，还可以增加挂载传感器节点的数量，终端设备即传感器节点加入到网络后，开始采集现场数据，并向其父节点发送，数据传输采用CSMA/CA避免碰撞机制，避免数据传输发生冲突。GPRS网络数据传输层主要利用GPRS通信模块负责将ZigBee网络发送来的数据传输到监控中心，PC监控中心则监控发送来的实时数据，进行分析处理后，PC可根据情况发出控制命令。

ZigBee网络数据采集层的ZigBee节点主要由电源模块、嵌入式微处理器CC2530、传感器接口电路、天线、射频接口电路、RS232通信接口、***微处理器接口电路和JTAG接口电路组成。电源模块可采用两节五号电池供电，电池装在电池盒内，电池盒粘附与电路板背面。CC2530微处理器是一个真正的用于IEEE802.15.4，ZigBee和RF4CE应用的片上***(SoC)解决方案，能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点.CC2530集成了业界领先的2.4GHZ IEEE802.15.4的兼容RF收发器、增强工业标准的8051MCU，在线可编程Flash存储器，8KB的RAM，3个通用定时器和许多其他强大功能，并且非常适合需要超低功耗的***，这由它的多种运行模式所保证，不同运行模式间的短的转换时间更加保证了它的低功率消耗。主要应用于家庭/建筑自动化，照明***，工业控制和检测，低功耗无线传感器网络，消费类电子，医疗保健等领域。传感器接口电路提供所需传感器的接口，射频接口电路保证了天线与CC2530射频引脚之间的可靠连接，***电路则提供了CC2530正常工作所需的基本***元器件。ZigBee节点构成无线网络负责数据采集，其中ZigBee汇聚节点接收、存储和处理各个传感器节点发送来的数据，并以无线通信方式与传感器节点交换信息，并向GPRS网络传输数据。

GPRS网络数据传输层主要采用GPRS通讯模块，由电源模块、STC单片机、GPRS模块SIM300、天线、SIM卡插座、按键电路、RS232接口***电路、JTAG接口等组成。STC单片机主要负责控制SIM300收发数据，通过发送AT指令和相应格式的数据控制SIM300的状态和功能。SIM300是支持GSM/GPRS 900/1800/1900MHZ三频的低功耗模块，可以提供GPRS高速的数据传输服务和高质量的语音通信服务，其结构小巧，几乎可满足所有对产品尺寸有要求的工业应用。SIM300内部功能模块有键盘和SPI类型的LCD接口，具有调试和数据输出两个串口，双音频通道。同时SIM300具有低功耗设计，睡眠模式下的电流消耗仅为2.5mA，内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，使用户利用该模块开发数据传输设备变得特别简单、方便。在SIM卡插座上***SIM卡后，按键电路可以实现拨打电话，状态连接等功能，RS232提供与ZigBee汇聚节点间的通信接口。GPRS通讯模块可以实现数据的远程传输。GPRS有两种数据传输方式，短信传输方式和经GPRS的Internet的数据传输。由于使用短信数据传输方式一次传输数据量较少，花费费用和时间较大，所以采用GPRS数据传输方式，GPRS具有连接时间短、数据传输率高、设备利用率高等优点，单片机通过AT指令控制SIM300连接到GPRS网络，并进入数据传输模式，这样一次性可以传输的数据量将增多。

PC监控中心可作为管理节点，通过监控界面负责监控GPRS模块发送来的实时数据，并进行分析决策。ZigBee汇聚节点主要通过串口与GPRS通讯模块采用串口通信方式，实现信息的交换。

本实用新型所设计的监控***，采集层网络选用了免费频段的ZigBee技术，数据传输层使用了数据传输率高的GPRS通信技术，并采用了可工作于低功耗模式的元器件，减少了网络建立和维护费用，减轻了远程数据传输的数据传输的不可靠性，克服了有线传输监测***的不足。

本实用新型的有益效果有：1、本***数据采集层采用基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的ZigBee技术，将基于CC2530嵌入式处理器的无线节点组成一个无线监测网络，ZigBee协议免专利费用，相比于其他无线通信技术如红外、蓝牙、Wi-Fi等技术，具有功耗低、数据传输安全可靠、实现成本低等优势。

2、数据采集后，利用GPRS网络实时的传输数据。GPRS网络的覆盖范围较广，运营成本也低，并且具有高可靠性，有助于解决传统监测网络布线困难、实时性差的问题。GPRS通讯模块主要采用基于SIM300的GPRS通信模块。

3、CC2530和SIM300芯片均可工作于低功耗模式，且CC2530具有极高的接收灵敏度，抗干扰性也较强，SIM300内嵌强大的TCP/IP协议，数据传速率高。

4、本实用新型所提出的一种结合GPRS的ZigBee网络的无线监测***，保证了数据的可靠和实时传输，减少了投资和维护费用，通信质量更好，功耗较低、减轻了相距较远时通信存在的不足之处。

附图说明

图1是本实用新型监测***的原理框图。

图2是图1中数据采集层ZigBee节点的原理框图。

图3是图1中数据传输层GPRS通讯模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案、工作原理作进一步解释说明。

见图1，本实用新型所设计的一种结合GPRS的ZigBee网络的无线监测***，包括ZigBee网络数据采集层，GPRS网络数据传输层，PC监控中心。ZigBee节点与GPRS网络的连接，主要通过ZigBee汇聚节点与GPRS通讯模块之间的串口通信。GPRS模块通过GPRS数据传输协议与PC机进行通信。ZigBee节点之间主要采用基于IEEE802.15.4的ZigBee协议进行无线通信。

上述ZigBee网络数据采集层的组成，包括ZigBee协调器也即汇聚节点、路由器和终端设备也即传感器节点。ZigBee协议栈主要有驱动层、协议层和应用层。驱动层主要是采用CC2530节点模块的ZigBee节点，提供硬件接口。协议层包括物理层、数据链路层和网络层，主要完成网络的组建和网络成员的管理，其中物理层完成物理层数据的发送和接收，数据链路层负责帧控制和数据校验，网络层完成网络的组建和管理网络成员。应用层调用协议层提供的服务，完成***的操作并和其他模块通讯。在组建网络之前，协调器首先检查网络环境，扫描网络信道，并发送组网广播，通告网络的PAN ID以及自己的64位MAC地址，然后选择一个空闲信道，建立网络，等待其它节点设备的入网请求；路由器及终端设备扫描信道，搜索信道空闲状态，发送信标帧，发现网络后向协调器发出入网请求帧，协调器准许后会分配网内地址给请求设备，至此形成了一个ZigBee无线网络。各传感器节点负责实时采集现场有效数据，发送给ZigBee汇聚节点，ZigBee汇聚节点则存储、处理传感器节点发来的数据，并利用串口发送给GPRS通讯模块。ZigBee节点间数据传输采用CSMA/CA数据避免碰撞机制，CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生，只有收到返回的ACK确认信号后才确认送出的数据已经正确到达目的地址，从而保证了数据的可靠传输。

图2所示为ZigBee节点的原理图，ZigBee节点主要由电源模块、嵌入式微处理器CC2530、传感器接口电路、天线、射频接口电路、RS232通信接口、***微处理器接口和JTAG接口电路组成。电源模块可采用两节五号电池供电，电池装在电池盒内，电池盒粘附与电路板背面。CC2530具有强大的抗干扰性能和低功耗工作模式。传感器接口电路提供我们所需要使用的传感器接口，射频接口电路保证了天线与CC2530射频引脚之间的可靠连接，RS232串口通信接口负责与GPRS通讯模块的通信连接，***电路则提供了CC2530正常工作所需的基本***元器件，JTAG接口电路供调试程序用。

图3所示为GPRS通讯模块原理图，GPRS模块主要采用SIM300模块，由STC单片机控制其收发短信、电话接挂、及GPRS数据传输等状态。GPRS通讯模块由电源模块、STC单片机、GPRS模块SIM300、天线、SIM卡插座、按键电路、RS232接口、***电路和JTAG接口等组成。AT命令是无线模块与微处理器之间的通信规则和标准，单片机与SIM300之间就是通过AT命令连接完成数据信息的交换，并通过按键电路控制SIM300采用基于TCP/IP协议的GPRS数据传输方式将ZigBee汇聚节点通过RS232串口发送来的有效数据传输给监控中心。GPRS网络包括服务GPRS节点SGSN和网关GPRS节点GGSN，SGSN是和GPRS基站紧密相连的一台设备，可以记录移动终端的位置，而GGSN是一个与SGSN和Internet紧密相连的设备，它把从SGSN的一些信息处理后发送到Internet的服务器同时把服务器的信息处理后再发送给SGSN，SGSN再给终端设备，GGSN相当于外部网络的网关。所以要通过基于TCP连接的GPRS数据传输方式将数据传输给监控中心，首先GPRS通讯模块要通过AT指令查询GPRS连接状态，并通过相应AT指令附着GPRS服务也即让SGSN知道该GPRS通讯模块的位置并认为其拥有GPRS功能，并使用GPRS数据业务，然后定义数据传输模式，激活数据传输状态，并开始TCP/IP连接和注册端口号与PC监控中心建立连接，连接建立成功后即可向监控中心发送数据。TCP提供的是一种面向连接的、可靠的字节流服务，因此该数据传输方式也能保证数据传输的可靠性。

本实用新型所提出的一种结合GPRS的ZigBee网络的无线监测***，分为ZigBee通讯模块和采集模块，GPRS通讯模块和PC数据监控端。将GPRS和ZigBee两种无线通信技术相结合，在监控领域具有重要意义。本***采用的CC2530和SIM300芯片均可工作于低功耗模式，采用的ZigBee技术安全性高、成本低，网络容量大，采用GPRS技术数据传输率高，实时性强，整个***投资和维护费用少，有助于远程数据传输时数据传输不可靠和有线传输费时费力不安全不经济的问题。

显然，本实用新型的上述实施方式仅是为说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以容易的做出其它形式上的变化或者替代，而这些改变或者替代也将包含在本实用新型确定的保护范围之内。

Claims

1.一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***，包括ZigBee网络数据采集层、GPRS网络数据传输层和PC监控中心，其特征在于：所述的ZigBee网络数据采集层由ZigBee节点组成，节点之间采用以IEEE802.15.4标准的ZigBee协议进行无线通信，ZigBee网络数据采集层包括协调器、路由器、终端设备，其中协调器相当于网关节点，建立网络，并等待其它节点设备的入网请求，同时负责与GPRS通讯模块之间的通信，路由器主要负责扩展网络数据传输的距离，增加挂载传感器节点的数量，终端设备也即传感器节点采集现场有效数据，发送给网关节点，网关节点接收、存储和处理后发送给GPRS通讯模块；

所述的GPRS网络数据传输层包括GPRS通讯模块，GPRS通讯模块由单片机、GPRS模块、SIM卡插座、天线、RS232接口、按键电路、***电路组成，用于接收、处理网关节点发来的现场有效数据，并与PC机建立GPRS连接，使用AT指令，通过单片机控制GPRS模块采用基于TCP/IP协议的GPRS数据传输方式，实时可靠地发送数据给PC机。

2.根据权利要求1所述的一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***，其特征在于：所述的ZigBee节点由电源模块、嵌入式微处理器、传感器接口电路、天线、射频接口电路、RS232通信接口、***微处理器接口电路和JTAG接口电路组成，电源模块可采用两节五号电池供电，电池装在电池盒内，电池盒粘附与电路板背面。

3.根据权利要求2所述的一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***，其特征在于：所述的嵌入式微处理器型号是CC2530芯片，集成了2.4GHZ IEEE802.15.4的兼容RF收发器，增强工业标准的8051MCU，在线可编程Flash存储器，8KB的RAM，3个通用定时器。

4.根据权利要求1所述的一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***，其特征在于：所述的GPRS模块型号是SIM300。

5.根据权利要求1所述的一种结合GPRS的ZigBee网络无线监测***，其特征在于：所述ZigBee节点间数据传输采用CSMA/CA数据避免碰撞机制，CSMA/CA利用ACK信号来避免冲突的发生。