GSM數(shù)據(jù)傳輸?shù)腪igbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1. 引言

　　無(wú)線傳感器網(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(jiān)測(cè)、軍事、醫(yī)療健康、家庭智能監(jiān)控和其他商業(yè)領(lǐng)域[2]有著廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有傳感器節(jié)點(diǎn)密度高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁，以及節(jié)點(diǎn)的功率、計(jì)算能力和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)線網(wǎng)絡(luò)，GSM通信網(wǎng)本身具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)糾錯(cuò)能力[3]，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達(dá)9.6kbit/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯?shí)時(shí)性，本文提出的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采用SIEMENS TC35模塊作為GSM網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸終端。Zigbee技術(shù)是一個(gè)具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4]。Zigbee技術(shù)具有三個(gè)工作頻段，本文提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作在2.4GHz 全球通用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）免付費(fèi)頻段上，劃分為16個(gè)信道，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s。用Zigbee技術(shù)組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、成本低；采用GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腡C35模塊體積小、功耗低，適合作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，Zigbee技術(shù)、GSM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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必將有廣泛的應(yīng)用前景。

　　2．基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　到目前為止，Zigbee技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)在家庭網(wǎng)絡(luò)、控制網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)移動(dòng)終端等領(lǐng)域有了一定的應(yīng)用，但是現(xiàn)有Zigbee技術(shù)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)每個(gè)接入點(diǎn)所能接納的傳感器的節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于協(xié)議所標(biāo)稱的255個(gè)，為了達(dá)到傳感器網(wǎng)絡(luò)密集覆蓋的目的，就必須進(jìn)行復(fù)雜的組網(wǎng)，這不僅增加了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，還增加了網(wǎng)絡(luò)整體的功耗，降低了傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。本方案則基于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)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?fù)淠Ｊ?，需求時(shí)喚醒的基本思想就是傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)能自動(dòng)醒來和匯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信并上報(bào)相關(guān)信息；否則工作于睡眠狀態(tài)并采用低功率監(jiān)測(cè)信道，以節(jié)約傳感器節(jié)點(diǎn)功耗并拒絕接受非法的連接訪問請(qǐng)求，大大降低了接入?yún)R節(jié)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本文提出的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于Zigbee并采用GSM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯節(jié)點(diǎn)和GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的分布式系統(tǒng)，如圖1所示。基于簇(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(wú)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GSM數(shù)據(jù)傳輸。中央控制中心通過GSM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(wú)線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)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GSM網(wǎng)絡(luò)獲取采集到的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的有效控制和管理。

　　2．1．1 Zigbee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

　　對(duì)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，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可自動(dòng)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(wú)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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在Zigbee技術(shù)上，采用了密鑰長(zhǎng)度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。

　　本文提出的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)由Zigbee模塊（MC13192和MC9S08兩部分所組成）、硬件檢測(cè)電路和定時(shí)器組成。硬件檢測(cè)電路檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)所在的環(huán)境，當(dāng)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(duì)信息進(jìn)行處理后，再以無(wú)線的方式傳送給匯節(jié)點(diǎn)。

　　2．1．2 Zigbee匯節(jié)點(diǎn)和GSM數(shù)據(jù)模塊

　　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TC35數(shù)據(jù)模塊通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳遞給中央信息控制中心。Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的匯節(jié)點(diǎn)及其GSM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過異步串行口實(shí)現(xiàn)的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中分布著多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)，因此16位的微控制器要利用軟件中斷實(shí)現(xiàn)對(duì)不同ID匯節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)輪詢掃描，使匯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出。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(jiān)控模塊、配置模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)三個(gè)部分組成。它通過GSM網(wǎng)絡(luò)與多個(gè)匯節(jié)點(diǎn)間接連接在一起，監(jiān)控模塊通過對(duì)通信串口的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式匯節(jié)點(diǎn)上報(bào)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(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的間接、實(shí)時(shí)性的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集。

　　2．2 Zigbee匯節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)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題，對(duì)于Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)核心之一——Zigbee匯節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)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(jié)省傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗，減少信息上報(bào)的時(shí)的碰撞概率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的壽命。下面詳細(xì)討論一下Zigbee匯節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的通信過程，即它的初始化過程和信息處理過程。

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