第１９卷 第１４期 Ｖｏ１．１９ Ｎｏ．１４ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１１年７月 Ｊｕ１．２０１１ 基于ＺｉｇＢｅｅ网络与ＧＰＲＳ的数据采集传输系统设计 付金勇．郭爱文 （武汉大学动力与机械学院自动化系，湖北武汉４３００７２） 摘要：为解决工业生产现场信号采集具有布线复杂，信号多样，环境恶劣等问题，笔者提出基于ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网 络和ＧＰＲＳ网络的集数据采集与传输于一体的系统设计方案与实现。系统给出了节点硬件设计方案以及软件的实现 方案。该系统采用ＣＣ２４３０型号的ＳＯＣ，完成数据采集与无线网络组建．再通过ＧＰＲＳ模块将数据发送至远程监控中 心。该系统具有结构简单，功耗低，节点灵活等优点，实现了无线条件下的数据采集与远程传输。 关键词：ＺｉｇＢｅｅ无线网络；ＧＰＲＳ网络；ＣＣ２４３０；无线传感器节点 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１１）１４—０１６３—０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｚｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ＧＰＲＳ ｎｅｔｗｏｒｋ ＦＵ Ｊｉｎ—ｙｏｎｇ，ＧＵＯ Ａｉ－ｗｅｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｆａ ｏｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＰｏｗｅｒ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏ］ｖｅ ｔｈｅ ｒｏｕｔｉｎｇ ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ｏｆ ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｓｉｇｎａｌ ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｐｏｏｒ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｓｓｕｅｓ ｉｎ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅｓ，ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ａ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ ａｎｄ ＧＰＲＳ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｏｄｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ ＣＣ２４３０ ｍｏｄｅｌ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ＳＯＣ，ｃｏｍｐｌｅｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｅｔｔｉｎｇ ｕｐ，ｔｈｅｎ ｓｅｎｄｓ ｔｈｅ ｄａｔａ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＧＰＲＳ ｍｏｄｕｌｅ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｅｎｔｅｒ．Ｉｔ ｈａｓ ａ ｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅｎｏｄｅ ａｎｄｏｔｈｅｒａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｃｃｏｍｐｌｉｓｈｉｎｇｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｌｏｎｇｄｉｓｔａｎｃｅｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｆａｗｉｒｅｌｅｓｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＧＰＲＳ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＣＣ２４３０；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ 随着工业的发展，系统规模的增大，测量参数趋于多样 化．迫切需要适合此状况的采集与传输系统来完成参数的收 集与传送。然而传统的有线传输技术存在安装复杂，布线成 在传感器终端，采用ＺｉｇＢｅｅ无线传输系统，能够将多样 化的测量变量进行收集，然后通过ＺｉｇＢｅｅ网络传送到协调器 节点，然后协调器节点通过ＧＰＲＳ模块发送，经过ＧＰＲＳ协议 本高，限制了工业通信技术的发展，虽然在有些工业情况下， 单纯用ＧＰＲＳ进行数据传递可满足一定的工业要求。但是花 费太高．并且不能排除信号采集现场没有运营商信号覆盖的 可能性。工业生产现场的数据采集迫切需要一种简单的、低 成本、高效率的数据采集系统。笔者采用新兴起的ＺｉｇＢｅｅ短 程无线传输技术与ＧＰＲＳ远程通信技术结合来设计满足这一 需求的数据采集传输系统。 与ＴＣＰ／ＩＰ协议转换，完成与Ｉｎｔｅｒｕｅｔ的连接，监控中心可以 通过Ｉｎｔｅｒｕｅｔ网络进行信号的收集。完成数据的远程采集与 传输过程。 １．２ ＺｉｇＢｅｅ无线网络 １．２．１ ＺｉｇＢｅｅ技术特点 ＺｉｇＢｅｅ是基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４无线标准研制开发的一种 近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线组网 １ 系统结构与原理 １．１系统组成 技术。数据传输距离依赖于输出功率和信道环境，一般在 百米左右；通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典 型的搜索设备时延３０ ｍｓ，体眠激活的时延是１５ ｍｓ，活动设 备信道接入的时延为１５ ｍｓ，因此ＺｉｇＢｅｅ技术适用于对时延 要求苛刻的无线控制（如工业控制场合等）应用；寻址方式为 系统的结构原理图如图１所示。 蹑 图ｌ系统的结构原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ６４ ｂｉｔ ＩＥＥＥ地址，８ ｂｉｔ网络地址，一台主ＺｉｇＢｅｅ设备可以连 接多达２５４台其他的从ＺｉｇＢｅｅ设备．而一个区域可以建立更 多的ＺｉｇＢｅｅ网络；ＺｉｇＢｅｅ设备可工作在２．４ ＧＨｚ（全球通用）、 ８６８ ＭＨｚ（欧洲通用）和９１５ ＭＨｚ（美国通用）３个频段之上，理 收稿日期：２０１１－０５—１０ 稿件编号：２０１１０５０３９ 论上可分别达到最高２５０、２０和４０ ｋｂ／ｓ的传输速率；ＺｉｇＢｅｅ 作者简介：付金勇（１９９０一），男，山东日照人。研究方向：模式识别，嵌入式系统。 —．１６３－ 《电子设计工程）２０１１年第１４期 的传输速率低，发射功率仅为１ ｍＷ，采用休眠模式可以使功 耗很低，从而达到省电延长电源使用寿命［１】。 １．２．２ ＺｉｇＢｅｅ无线网络网络结构选择 ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络综合传感器技术、ＺｉｇＢｅｅ无线通 讯技术和分布式信息处理技术等。通过一定的网络结构．可 以实现区域内传感器的相互协作，全方位的采集网络覆盖范 一 Ｉ、 ，， ８ ，， ● ｔ、＾ ，、 、、 ～ ， Ｉ．、、１、 霹＼，，，》， 、 ， 图３无线传感器节点的结构图 Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ ＣＣ２４３０，ＣＣ２４３０是一种真正的片上系统芯片（ＳＯＣ）ＣＭＯＳ解 决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ＺｉｇＢｅｅ为基础 的２．４ ＧＨｚ ＩＳＭ波段应用．完全兼容ＺｉｇＢｅｅ协议，该方案还 满足了工业过程对低成本，低功耗的要求。该芯片内部集成 了一个符合ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准的２．４ ＧＨｚ ＤＳＳＳ（直接序列扩 频）射频收发器核心和一颗工业级高性能和低功耗的８０５１ 围内的信息，而网络信息的传递方式以及效率取决于网络结 构的设计［２１。为了充分利用ＺｉｇＢｅｅ网络的灵活性与自愈性．增 大网络的容量，在此选择多层次网络结构翻。如图２所示。 微控制器核，拥有８ ｋＢ的ＲＡＭ及强大的外围模块。ＣＣ２４３０ 有３种不同的版本，具体表现为闪存空间的不同，分别有 ３２、６４、和１２８ ｋＢ。ＣＣ２４３０芯片采用Ｏ．１８ ｔｘｍ ＣＭＯＳ工艺生 产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于２７ ｍＡ或２５ 图２系统ＺｉｇＢｅｅ网络结构图 Ｆｉｇ．２ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ＺｉｇＢｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ， ｍＡ。ＣＣ２４３０的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特 性，完全满足了要求电池寿命非常长的应用场合。 ２．２协调器结构设计 该网络结构由传感器节点、路由节点和协调器节点构 成。传感器节点完成的主要过程是数据的采集与上传。大量 的传感器节点分布在监测区域，可实现大范围、多层面、立体 的数据采集，提高数据的多样性与准确性。路由节点最主要 的功能便是起到数据中转的作用，接收基本的传感器节点的 协调器节点要完成对传感器节点数据的接收，传感器节 点的入网管理。监控中心数据的传输。协调器节点组成结构 如图４所示。 一………一。：：：：：：：一……一…一一： 。 。 入网申请以及数据转传的要求，由于路由节点的加入．可以 使网络具有自组织性以及一定的容错性，使无线网络覆盖范 嘲 围增大，扩大网络的测量范围，这满足工业生产时收集信号 的分散特性。协调器是一个ＺｉｇＢｅｅ网络的中心节点。它向下 Ｌ 兰 图４协调器节点结构图 Ｆｉｇ．４ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ ｎｏｄｅ 组织包含路由器节点、传感器节点在内的网络组织与数据接 收，向上连接ＧＰＲＳ网络。完成数据的远程传送。 １．３ ＧＰＲＳ网络技术特点 ＧＰＲＳ是通用分组无线业务．是由现行的ＧＳＭ系统上发 无线模块采用ＣＣ２４３０．ＧＰＲＳ模块采用ＭＣ３５ｉ。ＭＣ３５ｉ是 西门子生产的ＧＳＭ／ＧＰＲＳ双模模块，它采用紧凑型设计，完 全兼容于在它之前的西门子ＭＣ３５系列产品，支持 ＥＧＳＭ９００／ＧＳＭ１８０ｏ双频，支持ＧＲＰＳ Ｃｌａｓｓ ８／Ｃｌａｓｓ Ｂ．可以为 用户提供了便捷、嵌入式的ＧＰＲＳ无线模块的连接。ＭＣ３５ｉ工 展起来的一种承载业务。采用与ＧＳＭ同样的无线调制标准、 频带、调频规则、突发结构、ＴＤＭＡ帧结构。ＧＰＲＳ采用分组交 换技术，允许用户在端到端分组转移模式下发送接收数据， 区别于电路交换的ＧＳＭ，特别适用于频繁的、少量的数据传 输，当然亦可传输大量数据，正适合工业测量领域频发、少 量、实时性高的数据传输。ＧＰＲＳ具有“极速传送”、“永远在 线”、“价格实惠”等特点。其采用ＩＰ数据网络协议，提高了现 有ＧＳＭ数据业务的传输速率。最高可达１７０ ｋｂ／ｓ左右。当设 备得到无线通道．ＧＰＲＳ便可以建立连接．使用户一直处于 “在线”状态 作在ＧＰＲＳ状态时，下行最大速率８５．６ ｋｂ／ｓ。接口：４０ ｐｉｎ，包 括电源、３ Ｖ ＳＩＭ卡、ＲＳ２３２接口、语音、控制等管脚，５０ Ｑ天 线接口。ＭＣ３５ｉ的ＧＰＲＳ模块可实现永久在线功能。具有高速 数据传输速率、体积小巧、功耗低等特点，能提供数据、语音、 短信、传真功能．在本系统中完全满足数据的传输速率要求。 ３软件设计部分 ３．１协调器软件设计 ２硬件设计部分 ２．１无线传感器节点结构设计 无线传感器节点的结构如图３所示。无线传感器节点要 完成来自传感器的信息的收集、无线网络的加入、以及无线 数据的发送。电路应该有电源模块、传感器模块、ＭＣＵ、无线 模块等部分组成『６一羽。在此采用德州仪器（ＴＩ）公司生产的 一协调器的作用是向上通过ＧＰＲＳ模块发送数据给监控中 心，向下管理ＺｉｇＢｅｅ无线网络，从功能上分类属于ＦＦＤ（ｆｕｌ１． ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）节点。协调器节点与ＧＰＲＳ模块部分的通讯 时，协调器发送的报文格式遵循指定的格式．便于监控中心 解析报文内容，便于数据的通用。 ＧＰＲＳ数据收发模块设计采用线程编程．一要完成ＧＰＲＳ 数据的发送，二要监视来自串口的数据。软件采用Ｃ语言编 】６４－ 付金勇，等基于ＺｉｇＢｅｅ网络与ＧＰＲＳ的数据采集传输系统设计 写．程序流程如图５所示。 ４结 论 笔者提出的数据采集传输系统建立在（ＳＯＣ）ＣＣ２４３０芯 片上，通过建立ＺｉｇＢｅｅ无线传感器传输网络，将测量范围的 数据通过传感器节点采集。路由节点中转，协调器节点汇集 数据，完成现场的数据采集的一次作业。再通过ＧＰＲＳ通讯网 络将数据传递到监控中心，实现数据的远程传输过程作业， 整个实现过程简捷，具有可操作性，ＺｉｇＢｅｅ无线网络可以应 对ＣＡＮ布线、布线代价高昂以及无法使用ＧＰＲＳ传输等工况 更适合苛刻的工业要求，笔者的ＺｉｇＢｅｅ无线网络具有一定的 自组织性，网络探测范围广，可实现广泛区域内的数据采集， 图５ ＧＰＲＳ模块发送接收流程图 采用不同的传感器可以采集多样的现场信号，满足不同的系 Ｆｉｇ．５ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｅｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ＧＰＲＳ ｍｏｄｕｌｅ 统要求。经实际验证，本系统具有可行性。． 协调器管理ＺｉｇＢｅｅ网络，需完成组建网络。扫描来自路 参考文献： 由节点和传感器节点的入网请求信号，存储路由节点编码号。 ［１］李皓．基ｉｆ＂ＺｉｇＢｅｅ无线网络技术的应用［Ｊ】．信息技术， ３．２传感器节点与路由节点软件设计 ２００８．３２（１）：１２－１４． 传感器软件部分要完成数据采集，数据处理与发送等功 ＬＩ Ｈａｏ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＺｉｇＢｅｅ ａｎｄ ｉｔｓ 能。路由节点不仅要有传感器节点的功能，而且还具有数据 ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，３２（１）：１２－１４． 转发的功能，是ＦＦＤ（ｆｕｌｌ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）节点。为节省电源。传 【２】孙利民．无线传感器网络【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００５： 感器节点采用睡眠唤醒机制。满足电池供电要求。由于电源损 ４０７－４１７． 耗主要是由于无线数据的收发，而在没有采集的时间段内。 【３】杨玺．面向实时监测的无线传感器网络［Ｍ】．北京：人民邮电 无线模块的工作便是能量的浪费，因此程序设计为在没有接 出版社．２０１０． 收到时钟信号的唤醒命令之前，传感器节点的无线收发模块 ［４］韩冰，李芬华．ＧＰＲＳ技术在数据采集与监控系统中的应用 处于睡眠状态，延长电池的使用寿命，程序流程如图６所示。 ［Ｊ】．电子技术，２００３，３０（８）：２６—２９． ＨＡＮ Ｂｉｎｇ，ＬＩ Ｆｅｎ－ｈｕａ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＧＰＲＳ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＳＣＡＤＡ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，３０（８）：２６－２９． 【５】郭泽辰．基ｉｆ－ＧＰＲＳ￣Ｊ远程自动水文监测网络［Ｊ】．电力系统 通讯，２００４，２５（８）：ｌ１—１２，１５． Ｉ硬件初始化Ｉ ＧＵＯ Ｚｅ—ｃｈｅｎ．Ｈｙｄｒｏｌｏｇｙ ｄａｔａ。ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＧＰＲＳ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ】．Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ，２０ｏ４，２５（８）：１１－１２，１５． ［６］高守玮，吴灿阳．ＺｉｇＢｅｅ￣￣术实践教程——基ｉｆ－ＣＣ２４３０／３１ 的无线传感器网络解决方案［Ｍ】．北京：北京航空航天大学 出版社．２ｏｏ９． ’ ● 自并发送程序Ｉ 虽蓬 Ｉ扫… 描传感器入网 … ［７】金纯，罗祖秋，罗风。ＺｉｇＢｅｅ技术基础及案例分析［Ｍ】．北京： 国防工业出版社．２００８． 【８】ＩＩ－Ｋｙｕ Ｈ，Ｊｉｎ－Ｗｏｏｋ Ｂ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ａｃｃｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ （ａ）传感器节点程序流程 （ｂ）路由节点程序流程 （ａ）ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒ ｎｏｄｅ （ｂ）ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｒｏｕｔ ｉｎｇ ｎｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｄｏｏｒ ｌｏｃｋ［Ｊ］．ＩＥＥＥ 图６传感器节点程序流程和路由节点程序流程 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｃｏｎｓｕｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００７，５２（４）：１７２４一 Ｆｉｇ．６ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｓｅ ｎｓｏｒ ｎｏｄｅ ａｎｄ ｍｕｔｉｎｇ ｎｏｄｅ 】７３０． 一１６５—