GSM數據傳輸的Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

1. 引言

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(wireless sensor network) [1]是一個(gè)熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域，它在環(huán)境監測、軍事、醫療健康、家庭智能監控和其他商業(yè)領(lǐng)域[2]有著(zhù)廣泛的應用前景。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有傳感器節點(diǎn)密度高，網(wǎng)絡(luò )拓撲變化頻繁，以及節點(diǎn)的功率、計算能力和數據存儲能力有限等特點(diǎn)。

GSM（Globe System of Mobile）網(wǎng)絡(luò )是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，GSM通信網(wǎng)本身具有較強的數據糾錯能力[3]，數據傳輸率較高可達9.6kbit/s能夠保證數據傳輸的可靠性和實(shí)時(shí)性，本文提出的網(wǎng)絡(luò )實(shí)現采用SIEMENS TC35模塊作為GSM網(wǎng)數據傳輸終端。Zigbee技術(shù)是一個(gè)具有統一技術(shù)標準的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標準[4]。Zigbee技術(shù)具有三個(gè)工作頻段，本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )工作在2.4GHz 全球通用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）免付費頻段上，劃分為16個(gè)信道，在該頻段上，數據傳輸速率為250kb/s。用Zigbee技術(shù)組成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、體積小、成本低；采用GSM網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸的TC35模塊體積小、功耗低，適合作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的數據節點(diǎn)，Zigbee技術(shù)、GSM網(wǎng)絡(luò )數據傳輸與傳感器技術(shù)相結合組成新興的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，必將有廣泛的應用前景。

　　2．基于Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　到目前為止，Zigbee技術(shù)在國外已經(jīng)在家庭網(wǎng)絡(luò )、控制網(wǎng)絡(luò )、手機移動(dòng)終端等領(lǐng)域有了一定的應用，但是現有Zigbee技術(shù)構成的網(wǎng)絡(luò )每個(gè)接入點(diǎn)所能接納的傳感器的節點(diǎn)數遠遠低于協(xié)議所標稱(chēng)的255個(gè)，為了達到傳感器網(wǎng)絡(luò )密集覆蓋的目的，就必須進(jìn)行復雜的組網(wǎng)，這不僅增加了網(wǎng)絡(luò )的復雜性，還增加了網(wǎng)絡(luò )整體的功耗，降低了傳感器節點(diǎn)的壽命。本方案則基于每個(gè)傳感器節點(diǎn)和匯節點(diǎn)之間通信量較小的特點(diǎn)，提出了一種基于需求時(shí)喚醒(Wake up On-demand )的星型網(wǎng)絡(luò )拓撲模式，需求時(shí)喚醒的基本思想就是傳感器節點(diǎn)在監測的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，傳感器節點(diǎn)能自動(dòng)醒來(lái)和匯節點(diǎn)進(jìn)行通信并上報相關(guān)信息；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監測信道，以節約傳感器節點(diǎn)功耗并拒絕接受非法的連接訪(fǎng)問(wèn)請求，大大降低了接入匯節點(diǎn)時(shí)消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網(wǎng)絡(luò )容量。

　　2．1 傳感器網(wǎng)絡(luò )的系統結構

　　本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是基于Zigbee并采用GSM進(jìn)行數據通信傳感器網(wǎng)絡(luò )，它是由大量的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、匯節點(diǎn)和GSM數據傳輸模塊組成的分布式系統，如圖1所示?；诖?Cluster)的分層結構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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一個(gè)匯節點(diǎn)，每個(gè)簇成員（傳感器節點(diǎn)）都把數據傳給簇頭，數據融合后直接傳給GSM數據傳輸。中央控制中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )與多個(gè)匯節點(diǎn)連接，匯節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)之間通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現無(wú)線(xiàn)的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)負責對數據的感知和處理并傳送給匯節點(diǎn)；控制中心通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現對現場(chǎng)的有效控制和管理。

　　2．1．1 Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)

　　對于一個(gè)完整的傳感器節點(diǎn)，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點(diǎn)，Zigbee設備為低功耗設備，其發(fā)射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為30米～70米，具有能量檢測和鏈路質(zhì)量指示，根據這些檢測結果，設備可自動(dòng)調整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設備能量，本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )其節點(diǎn)在睡眠狀態(tài)時(shí)，功耗電流約為30uA。在傳感器網(wǎng)絡(luò )數據通信時(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點(diǎn)上報給匯節點(diǎn)數據碰撞的概率。在網(wǎng)絡(luò )安全方面，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長(cháng)度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進(jìn)行加密處理。

　　本文提出的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的硬件結構由Zigbee模塊（MC13192和MC9S08兩部分所組成）、硬件檢測電路和定時(shí)器組成。硬件檢測電路檢測傳感器節點(diǎn)所在的環(huán)境，當環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，觸發(fā)Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態(tài)喚醒，模塊利用自身的控制芯片對信息進(jìn)行處理后，再以無(wú)線(xiàn)的方式傳送給匯節點(diǎn)。

　　2．1．2 Zigbee匯節點(diǎn)和GSM數據模塊

　　分布在傳感器網(wǎng)絡(luò )中的匯節點(diǎn)主要用于接收傳感器節點(diǎn)的數據上報，并將其進(jìn)行融合處理，傳給TC35數據模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )傳遞給中央信息控制中心。Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的匯節點(diǎn)及其GSM數據模塊其硬件模塊如圖3所示，它由Zigbee模塊、16位微控制器MSP430、GSM數據模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過(guò)異步串行口實(shí)現的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網(wǎng)絡(luò )中分布著(zhù)多個(gè)匯節點(diǎn)，因此16位的微控制器要利用軟件中斷實(shí)現對不同ID匯節點(diǎn)上傳數據輪詢(xún)掃描，使匯節點(diǎn)的數據可以有序、完整地通過(guò)微控制器處理后傳出。匯節點(diǎn)在此傳感器網(wǎng)絡(luò )中充當的是傳感器節點(diǎn)和GSM網(wǎng)絡(luò )之間的網(wǎng)關(guān)。

　　2．1．3 中央信息控制中心

　　中央信息控制中心由監控模塊、配置模塊、數據庫三個(gè)部分組成。它通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )與多個(gè)匯節點(diǎn)間接連接在一起，監控模塊通過(guò)對通信串口的實(shí)時(shí)監控，實(shí)現對分布式匯節點(diǎn)上報信息的及時(shí)接收、解析、處理以及發(fā)送控制信令給不同ID的匯節點(diǎn)實(shí)現對傳感器節點(diǎn)的間接、實(shí)時(shí)性的監控和數據采集。

　　2．2 Zigbee匯節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)之間基于需求時(shí)喚醒的工作模式

　　為了增加Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的容量以及解決傳感器網(wǎng)絡(luò )中一個(gè)重要的能源供給的問(wèn)題，對于Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò )核心之一——Zigbee匯節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)之間的通信。本網(wǎng)絡(luò )采用了基于需求時(shí)喚醒的工作模式。這種模式可以大大節省傳感器節點(diǎn)的功耗，減少信息上報的時(shí)的碰撞概率，延長(cháng)網(wǎng)絡(luò )的壽命。下面詳細討論一下Zigbee匯節點(diǎn)和傳感器節點(diǎn)之間的通信過(guò)程，即它的初始化過(guò)程和信息處理過(guò)程。

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