基于ZigBee的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)與GPRS融合組網(wǎng)研究

都 鑫，張 潔，吳曉飛，張國華

基于ZigBee的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)與GPRS融合組網(wǎng)研究

都 鑫1，張 潔2，吳曉飛1，張國華1

（1.河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054000； 2.邢臺(tái)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺(tái) 054035）

通過研究ZigBee技術(shù)的組網(wǎng)原理，利用智能數(shù)字傳感器的優(yōu)點(diǎn)和GPRS通信技術(shù)的方便可靠性，將無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程信息通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)合起來，構(gòu)建一個(gè)遠(yuǎn)程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能化硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對各種環(huán)境的溫濕度參數(shù)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測。

ZigBee；GPRS；溫濕度監(jiān)測

眾所周知，溫濕度影響著我們的生產(chǎn)生活，尤其是合適的溫濕度在農(nóng)業(yè)種植、物資儲(chǔ)存、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域起著不可或缺的作用。當(dāng)前的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)普遍具有系統(tǒng)功能單一、傳輸布網(wǎng)繁瑣、通信距離過近、易受外界因素影響等各種缺點(diǎn)。本研究將ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)進(jìn)行有機(jī)融合，致力于開發(fā)出一種高效可靠的新型溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。

一、新技術(shù)優(yōu)勢

ZigBee技術(shù)具有能耗低、預(yù)算少、安全性高等顯著優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中設(shè)備組網(wǎng)最適合的技術(shù)?；赯igBee技術(shù)的無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)能滿足自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制的需要，其最多可容納6萬多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸模塊。同時(shí)，ZigBee技術(shù)可以極大的擴(kuò)展溫濕度參數(shù)采集區(qū)域，并可以避免以往監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)繁雜、檢修成本高等問題。

GPRS技術(shù)在數(shù)據(jù)傳輸方面具有數(shù)據(jù)傳送速率高、系統(tǒng)傳輸容量大、通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、良好的可擴(kuò)展性、可對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其監(jiān)控范圍廣、建設(shè)投入小、通信費(fèi)用低。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

三、方案設(shè)計(jì)

1.溫濕度參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)

溫濕度傳感器選擇的是Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11，它采用工業(yè)COMS 過程微加工技術(shù)，保證芯片能長時(shí)間穩(wěn)定工作，片外電路綜合結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)算速度快。

SHT11溫濕度測量步驟為：通過溫度、濕度傳感器分別得到相應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)；放大后，送至A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行相應(yīng)處理；通過數(shù)字2線串口將溫度及相對濕度的數(shù)據(jù)送至MCU；通過MCU完成相對濕度的溫度補(bǔ)償和溫濕度的非線性補(bǔ)償。

SHT11供電電壓一般為2.4V～5.5V，其串行接口主要包括雙向串行數(shù)據(jù)線（DATA）和單向輸入串行時(shí)鐘線（SCK），為了保證工作精度，接口電路加入上拉電阻RP和VDD與GND之間的去耦電容C。

2.ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

基于SOC解決方案，ZigBee模塊選擇TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片完成數(shù)據(jù)處理和無線傳輸?shù)娜蝿?wù)。CC2530是TI公司推出的第二代用于2.4GHz頻段，支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)/ ZigBee RF4CE協(xié)議的SOC芯片，它將微處理器與無線收發(fā)模塊完美的結(jié)合在一起，體積更小、功能更強(qiáng)大。

CC2530外接電路如圖2所示，其中外接電路的射頻部分選取的是不平衡天線，所以采用巴比倫的阻抗匹配電路來優(yōu)化性能，同時(shí)射頻結(jié)構(gòu)滿足匹配電阻（50歐）的要求。

圖2 CC2530外接電路

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作內(nèi)容為：ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)組建一個(gè)信息傳輸平臺(tái)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的日常管理和維護(hù)；傳感器終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將測量到的溫濕度參數(shù)信息經(jīng)由路由器發(fā)送至協(xié)調(diào)器，然后經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控中心；遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將控制信號經(jīng)由協(xié)調(diào)器依次向下傳遞，直至相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)[1]；路由器在網(wǎng)絡(luò)中的作用是完成協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，延長數(shù)據(jù)傳輸距離。

3.ZigBee與GPRS網(wǎng)關(guān)模塊設(shè)計(jì)

GPRS技術(shù)由GSM技術(shù)發(fā)展而來，數(shù)據(jù)在傳輸過程中遵循TCP/IP協(xié)議，并能方便地接入互聯(lián)網(wǎng)。一般而言，對于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee協(xié)調(diào)器有以下方式可以與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行通信：其一是通過光纖等網(wǎng)絡(luò)寬帶直接連接；其二是選擇移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)連接Internet 網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)的基于CC2530芯片的ZigBee協(xié)調(diào)器是通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)的，這就要求必須對ZigBee與GPRS融合組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行妥善的設(shè)計(jì)，從而完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議的無縫對接與自由轉(zhuǎn)換，達(dá)到互聯(lián)通信的目的。

本文設(shè)計(jì)的ZigBee與GPRS網(wǎng)關(guān)由三部分組成：ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊、GPRS通信模塊以及電平轉(zhuǎn)換芯片。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

GPRS通信模塊選用華為公司推出的GTM900C模塊，它工作溫度范圍是-20℃～+70℃，電源電壓區(qū)間為3.3V～4.8V（推薦電壓3.8V），接收靈敏度小于-106dBm，最大發(fā)射功率雙頻EGSM900/GT800 Class4是2W、單頻GSM1800 Class1是1W。GTM900C內(nèi)嵌TCP/IP因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議，提供ACK（確認(rèn)字符）應(yīng)答，提供大容量緩存電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持多鏈接[2]，支持CSD（電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)），支持傳真，支持USSD（非結(jié)構(gòu)化補(bǔ)充數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)）。

電平轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司設(shè)計(jì)的單電源MAX3232芯片，單一供電電壓＋5V，供電電流5mA，功耗比較低，適用于RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口通信。MAX3232芯片內(nèi)部分別集成兩個(gè)RS-232C驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)RS-232C接收器，同時(shí)符合所有RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，片載電荷泵既能升壓，又可以反轉(zhuǎn)電壓極性，能夠生成＋10V至－10V范圍的電壓，整個(gè)芯片集成度很高，只要有4個(gè)外接電容芯片就可以使用。

本設(shè)計(jì)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與GPRS模塊之間的數(shù)據(jù)通信是通過串行通信接口來完成的，該串口符合RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)行正常的通信，兩者間的接口電平需要進(jìn)行匹配，因此選擇MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換電路選用的是9針串口母頭，對于GPRS模塊來說方便連接；同時(shí)，MAX3232芯片的T2IN、R2OUT引腳分別與CC2530芯片的P0.5、P0.4引腳相連接。電平轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 電平轉(zhuǎn)換電路

在電平轉(zhuǎn)換電路中，MAX3232芯片的電源有可能通過串口電平轉(zhuǎn)換芯片工作產(chǎn)生的信號，影響GTM900C模塊內(nèi)部的VDD信號（升高或降低），從而導(dǎo)致GPRS模塊無法正常工作，所以選用電平隔離電路SN74LV245來避免這種情況的發(fā)生。在SIM卡電路設(shè)計(jì)中，為保證SIM卡信號線中的信號工作可靠，需要做兩方面工作：①SIM-GND信號必須進(jìn)行接地處理；②其他相關(guān)信號線要加上去耦電容，用來減少雜波和噪聲的干擾。

[1]蔡文晶.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2011.

[2]范燁.基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的水文信息采集系統(tǒng)開發(fā)[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2014.

On the Networking Combining Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on ZigBee with GPRS

DU Xin1，ZHANG Jie2，WU Xiao-fei1，ZHANG Guo-hua1

(1.Hebei Electromechanical Vocational and Technical College, Xingtai 054048, China; 2. Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China)

By studying the networking principle of ZigBee technology, this paper uses the advantages of smart digital sensors and the convenience and reliability of GPRS communication technology, combines a wireless data acquisition network with a remote information communication network, and builds an intelligent hardware platform for a remote wireless sensor network to accurately monitor the temperature and humidity parameters in various environments.

ZigBee，GPRS，temperature and humidity monitoring

1008—6129（2018）01—0052—04

2018—01—31

2017年度河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目——“基于ZigBee的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)與GPRS融合組網(wǎng)研究”，項(xiàng)目編號：Z2017128。

都鑫（1981—），河北邢臺(tái)人，河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師。