结合Zigbee和GPRS的无线数据传输网络

摘要：
本文提出了利用GPRS网络传输基于Zigbee无线传感器汇节点数据的完整无线网络设计，网络采用星型或MESH网状网络拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每个Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率，并利用GPRS网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制，使网络具有非常显著的优点。

一．引言
随着无线通信技术的不断发展，近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的zigbee技术，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程控制领域及家用设备联网，我们采用zigbee技术和GPRS/CDMA技术结合，可以为无线传感器网络提供很好的解决方案。

二．系统概述
GPRS网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GPRS通信网本身具有较强的数据纠错能力，数据传输率较高可达128kbit/s能够保证数据传输的可靠性和实时性。用Zigbee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GPRS网络进行数据传输的模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，Zigbee技术、GPRS网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴的无线传感器网络，必将有广泛的应用前景。

三、Zigbee技术简介
zigbee是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。
ZigBee标准基于802.15.4协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Clustertree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

图一ZIGBEE星型网络结构

星型网络结构特点
支持点对点、点对多点通信
中心节点为ZIGBEE协调器，终端节点为ZIGBEE终端设备
所有数据经过中心节点
适合圆形分散、距离较近的传感器联网

图二ZIGBEE网状网络结构

MESH网状网络结构特点
系统采用多跳式路由通信
网络容量很大
可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构

MESH网状网络拓扑结构的网络具有强大的功能，网络的所有实体只有要通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。

四、Zigbee技术特点

通信可靠
系统采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；采用完全确认的数据传输机制，保证信息传输的可靠性；
网络的自组织、自愈能力强
zigbee的自组织功能：无需人工干预，网络节点能感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；
zigbee自愈功能：增加、删除或移动节点，节点发生故障等等，网络都能够自我修复无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
成本低廉
设备的复杂程度低，且Zigbee协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本；Zigbee的工作频段灵活，为免执照频段的2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。
网络容量大
一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在200多个ZigBee网络。

五、结合ZigBee和GPRS技术的无线传感器网络解决方案
本文提出的无线传感器网络是基于Zigbee并采用GPRS进行数据通信传感器网络，它是由大量的无线传感器节点、汇节点和GPRS数据传输模块组成的分布式系统。基于簇(Cluster)的分层结构具有天然的分布式处理能力，簇头就是分布式处理中心即本文无线传感器网络的一个汇节点，每个簇成员（传感器节点）都把数据传给簇头，数据融合后直接传给GPRS数据传输。中央控制中心通过GPRS网络与多个汇节点连接，汇节点和传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点；控制中心通过GPRS网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。

对于一个完整的传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0dbm～3.6dbm，通信距离为30米～70米，经过PA放大，通信距离可达到1000米左右，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本文提出的无线传感器网络其节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在传感器网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给汇节点数据碰撞的概率。在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

分布在传感器网络中的汇节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给GPRS网络传递给中央信息控制中心。Zigbee汇节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和GPRS网络之间的网关。

六、ZIGBEE产品应用场合
带负载管理功能的自动抄表(AMR)系统；
油气生产遥测遥控通信系统；
监控照明、HVAC和写字楼安全。
农田耕作、环境监测及其它区域进行工业监控通信；
工业制造、过程控制遥测遥控；
对病患、设备及设施进行医疗和健康监控；
家庭监控、HVAC、安防报警系统运用；
有源RFID应用，例如电池供电标签，它可用于产品运输、产品跟踪、存储较大物品和财产管理；
军事应用，包括战场监视和机器人控制；
汽车应用，配合传感器网络报告汽车所有系统的状态。

七、顺舟科技SZ02-ZIGBEE无线网络数传模块
SZ02-ZIGBEE无线通信模块是加强型的ZIGBEE模块，具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组MESH型的网状网络结构。

集成简单：RS232/485数据透明传输；
通信可靠：强大的网络检测和自恢复功能；
网络规模：超大规模网络组网能力；
超远距离：传输达2公里；
产品类型：独立设备和嵌入式小模块。