結合Zigbee和GPRS的無線數據傳輸網絡

本文提出了利用GPRS網絡傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節點數據的完整無線網絡設計，網絡采用星型或MESH網狀網絡拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個Zigbee傳感器節點的功耗，減少了傳感器節點向匯節點上報數據時相互碰撞的概率，并利用GPRS網絡傳輸匯節點的數據，改變了傳統無線傳感器網絡需要依托有線公共網絡進行數據傳輸的限制，使網絡具有非常顯著的優點。

一．引 言

隨著無線通信技術的不斷發展，近年來出現了面向低成本設備無線聯網要求的zigbee技術，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程控制領域及家用設備聯網，我們采用zigbee技術和GPRS/CDMA技術結合，可以為無線傳感器網絡提供很好的解決方案。

二．系統概述

GPRS網絡是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網絡，GPRS通信網本身具有較強的數據糾錯能力，數據傳輸率較高可達128kbit/s能夠保證數據傳輸的可靠性和實時性。用Zigbee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、成本低；采用GPRS網絡進行數據傳輸的模塊體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網絡的數據節點，Zigbee技術、GPRS網絡數據傳輸與傳感器技術相結合組成新興的無線傳感器網絡，必將有廣泛的應用前景。

三、Zigbee技術簡介

zigbee是一種無線連接技術的商業化命名，該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用。
ZigBee標準基于802.15.4協議棧而建立，具備了強大的設備聯網功能，它支持三種主要的自組織無線網絡類型，即星型結構、網狀結構(Mesh)和簇狀結構(Cluster tree)，特別是網狀結構，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。


星型網絡結構特點

支持點對點、點對多點通信
中心節點為ZIGBEE協調器，終端節點為ZIGBEE終端設備
所有數據經過中心節點
適合圓形分散、距離較近的傳感器聯網


MESH網狀網絡結構特點

系統采用多跳式路由通信
網絡容量很大
可以跨越很大的物理空間，適合距離較遠比較分散的結構

MESH網狀網絡拓撲結構的網絡具有強大的功能，網絡的所有實體只有要通信范圍之內，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過“多級跳”的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網絡；除此之外，網絡還具備自組織、自愈功能。

四、Zigbee技術特點

通信可靠

系統采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突；采用完全確認的數據傳輸機制，保證信息傳輸的可靠性；

網絡的自組織、自愈能力強

zigbee的自組織功能：無需人工干預，網絡節點能感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；

zigbee自愈功能：增加、刪除或移動節點，節點發生故障等等，網絡都能夠自我修復無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作。

成本低廉

設備的復雜程度低，且Zigbee協議是免專利費的，這些可以有效地降低設備成本；Zigbee的工作頻段靈活，為免執照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信。

網絡容量大

一個ZigBee網絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在200多個ZigBee網絡。

五、結合ZigBee和GPRS技術的無線傳感器網絡解決方案

本文提出的無線傳感器網絡是基于Zigbee并采用GPRS進行數據通信傳感器網絡，它是由大量的無線傳感器節點、匯節點和GPRS數據傳輸模塊組成的分布式系統。基于簇(Cluster)的分層結構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線傳感器網絡的一個匯節點，每個簇成員（傳感器節點）都把數據傳給簇頭，數據融合后直接傳給GPRS數據傳輸。中央控制中心通過GPRS網絡與多個匯節點連接，匯節點和傳感器節點之間通過Zigbee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的感知和處理并傳送給匯節點；控制中心通過GPRS網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。
對于一個完整的傳感器節點，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點，Zigbee設備為低功耗設備，其發射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為30米～70米，經過PA放大，通信距離可達到1000米左右，具有能量檢測和鏈路質量指示，根據這些檢測結果，設備可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量，本文提出的無線傳感器網絡其節點在睡眠狀態時，功耗電流約為30uA。在傳感器網絡數據通信時，Zigbee建立一次連接的時間約為20ms，這樣短的連接時間可以大大減少傳感器節點上報給匯節點數據碰撞的概率。在網絡安全方面，無線傳感器網絡在Zigbee技術上，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。
分布在傳感器網絡中的匯節點主要用于接收傳感器節點的數據上報，并將其進行融合處理，傳給GPRS網絡傳遞給中央信息控制中心。Zigbee匯節點在此傳感器網絡中充當的是傳感器節點和GPRS網絡之間的網關。

六、ZIGBEE產品應用場合
帶負載管理功能的自動抄表(AMR)系統；
油氣生產遙測遙控通信系統；
監控照明、HVAC和寫字樓安全。
農田耕作、環境監測及其它區域進行工業監控通信；
工業制造、過程控制遙測遙控；
對病患、設備及設施進行醫療和健康監控；
家庭監控、HVAC、安防報警系統運用；
有源RFID應用，例如電池供電標簽，它可用于產品運輸、產品跟蹤、存儲較大物品和財產管理；
軍事應用，包括戰場監視和機器人控制；
汽車應用，配合傳感器網絡報告汽車所有系統的狀態。