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摘要:
本文提出了利用GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸基于Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的完整無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)需要依托有線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的不斷發(fā)展,近年來(lái)出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù),主要適合于自動(dòng)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò),必將有廣泛的應(yīng)用前景。

三、Zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介
zigbee是一種無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)的商業(yè)化命名,該無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型,即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh)和簇狀結(jié)構(gòu)(Clustertree),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。

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(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)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(guò)中心節(jié)點(diǎn)
適合圓形分散、距離較近的傳感器聯(lián)網(wǎng)

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(méi)有直接通路,還可以通過(guò)“多級(jí)跳”的方式來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(wú)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(dòng)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(wú)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(zhuān)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(méi)有使用費(fèi)的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案
本文提出的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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(guò)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(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(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(guò)GPRS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。

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,經(jīng)過(guò)PA放大,通信距離可達(dá)到1000米左右,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(xiàn)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(xiàn)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。

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)。



六、ZIGBEE產(chǎn)品應(yīng)用場(chǎng)合
帶負(fù)載管理功能的自動(dòng)抄表(AMR)系統(tǒng);
油氣生產(chǎn)遙測(cè)遙控通信系統(tǒng);
監(jiān)控照明、HVAC和寫(xiě)字樓安全。
農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測(cè)及其它區(qū)域進(jìn)行工業(yè)監(jiān)控通信;
工業(yè)制造、過(guò)程控制遙測(cè)遙控;
對(duì)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(chǔ)較大物品和財(cái)產(chǎn)管理;
軍事應(yīng)用,包括戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和機(jī)器人控制;
汽車(chē)應(yīng)用,配合傳感器網(wǎng)絡(luò)報(bào)告汽車(chē)所有系統(tǒng)的狀態(tài)。

七、順舟科技SZ02-ZIGBEE無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊
SZ02-ZIGBEE無(wú)線(xiàn)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(duì)多點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)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(jiǎn)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(cè)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(lèi)型:獨(dú)立設(shè)備和嵌入式小模塊。

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