結(jié)合Zigbee和GPRS的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)

摘 要：
本文提出了利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)采用星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜托枨髸r(shí)喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個(gè)Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，減少了傳感器節(jié)點(diǎn)向匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)數(shù)據(jù)時(shí)相互碰撞的概率，并利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸匯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡(luò)具有非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。

一．引 言 
隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的zigbee技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，我們采用zigbee技術(shù)和GPRS/CDMA技術(shù)結(jié)合，可以為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供很好的解決方案。

二．系統(tǒng)概述
GPRS網(wǎng)絡(luò)是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網(wǎng)絡(luò)，GPRS通信網(wǎng)本身具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達(dá)128kbit/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性。用Zigbee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低；采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，Zigbee技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與傳感器技術(shù)相結(jié)合組成新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必將有廣泛的應(yīng)用前景。 

三、Zigbee技術(shù)簡介
zigbee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。 
    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。

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                                        圖一  ZIGBEE星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
  支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)通信
  中心節(jié)點(diǎn)為ZIGBEE協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點(diǎn)為ZIGBEE終端設(shè)備
  所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)
  適合圓形分散、距離較近的傳感器聯(lián)網(wǎng)

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                                             圖二  ZIGBEE網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
  系統(tǒng)采用多跳式路由通信
  網(wǎng)絡(luò)容量很大
  可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠(yuǎn)比較分散的結(jié)構(gòu)

     MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)的所有實(shí)體只有要通信范圍之內(nèi)，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)；除此之外，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈功能。

四、Zigbee技術(shù)特點(diǎn)

通信可靠
系統(tǒng)采用了CSMA－CA的碰撞避免機(jī)制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競爭和沖突；采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，保證信息傳輸?shù)目煽啃裕?
網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)
zigbee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)； 
zigbee自愈功能：增加、刪除或移動節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)無需人工干預(yù)，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。
成本低廉
設(shè)備的復(fù)雜程度低，且Zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的，這些可以有效地降低設(shè)備成本；Zigbee的工作頻段靈活，為免執(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費(fèi)的無線通信。
網(wǎng)絡(luò)容量大
一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在200多個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

五、結(jié)合ZigBee和GPRS技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案
本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于Zigbee并采用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由大量的無線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯節(jié)點(diǎn)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的分布式系統(tǒng)?；诖?Cluster)的分層結(jié)構(gòu)具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心即本文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)，每個(gè)簇成員（傳感器節(jié)點(diǎn)）都把數(shù)據(jù)傳給簇頭，數(shù)據(jù)融合后直接傳給GPRS數(shù)據(jù)傳輸。中央控制中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)連接，匯節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間通過Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給匯節(jié)點(diǎn)；控制中心通過GPRS網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。 

對于一個(gè)完整的傳感器節(jié)點(diǎn)，需要具有小尺寸、低功耗、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為30米～70米，經(jīng)過PA放大，通信距離可達(dá)到1000米左右，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)備可自動調(diào)整設(shè)備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設(shè)備能量，本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)其節(jié)點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)，功耗電流約為30uA。在傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信時(shí)，Zigbee建立一次連接的時(shí)間約為20ms，這樣短的連接時(shí)間可以大大減少傳感器節(jié)點(diǎn)上報(bào)給匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)碰撞的概率。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。 

分布在傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯節(jié)點(diǎn)主要用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上報(bào)，并將其進(jìn)行融合處理，傳給GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。Zigbee匯節(jié)點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點(diǎn)和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)。

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六、ZIGBEE產(chǎn)品應(yīng)用場合
帶負(fù)載管理功能的自動抄表(AMR)系統(tǒng)；
油氣生產(chǎn)遙測遙控通信系統(tǒng)；
監(jiān)控照明、HVAC和寫字樓安全。
農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測及其它區(qū)域進(jìn)行工業(yè)監(jiān)控通信；
工業(yè)制造、過程控制遙測遙控；
對病患、設(shè)備及設(shè)施進(jìn)行醫(yī)療和健康監(jiān)控；
家庭監(jiān)控、HVAC、安防報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)用；
有源RFID應(yīng)用，例如電池供電標(biāo)簽，它可用于產(chǎn)品運(yùn)輸、產(chǎn)品跟蹤、存儲較大物品和財(cái)產(chǎn)管理；
軍事應(yīng)用，包括戰(zhàn)場監(jiān)視和機(jī)器人控制；
汽車應(yīng)用，配合傳感器網(wǎng)絡(luò)報(bào)告汽車所有系統(tǒng)的狀態(tài)。

七、順舟科技SZ02-ZIGBEE無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊
SZ02-ZIGBEE無線通信模塊是加強(qiáng)型的ZIGBEE模塊，具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)及多點(diǎn)對多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

集成簡單：RS232/485數(shù)據(jù)透明傳輸；
通信可靠：強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)檢測和自恢復(fù)功能；
網(wǎng)絡(luò)規(guī)模：超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)能力；
超遠(yuǎn)距離：傳輸達(dá)2公里；
產(chǎn)品類型：獨(dú)立設(shè)備和嵌入式小模塊。