摘要：
本文提出了利用GPRS網(wǎng)絡傳輸基于Zigbee無線傳感器匯節(jié)點數(shù)據(jù)的完整無線網(wǎng)絡設計，網(wǎng)絡采用星型或MESH網(wǎng)狀網(wǎng)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(jié)點的功耗，減少了傳感器節(jié)點向匯節(jié)點上報數(shù)據(jù)時相互碰撞的概率，并利用GPRS網(wǎng)絡傳輸匯節(jié)點的數(shù)據(jù)，改變了傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡需要依托有線公共網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗?，使網(wǎng)絡具有非常顯著的優(yōu)點。

一．引言
隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向低成本設備無線聯(lián)網(wǎng)要求的zigbee技術，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)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(lián)網(wǎng)，我們采用zigbee技術和GPRS/CDMA技術結(jié)合，可以為無線傳感器網(wǎng)絡提供很好的解決方案。

二．系統(tǒng)概述
GPRS網(wǎng)絡是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網(wǎng)絡，GPRS通信網(wǎng)本身具有較強的數(shù)據(jù)糾錯能力，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達128kbit/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。用Zigbee技術組成的無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低；采用GPRS網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)節(jié)點，Zigbee技術、GPRS網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與傳感器技術相結(jié)合組成新興的無線傳感器網(wǎng)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(yè)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(lián)網(wǎng)應用。
ZigBee標準基于802.15.4協(xié)議棧而建立，具備了強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡類型，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)，具有很強的網(wǎng)絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。

圖一ZIGBEE星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點
支持點對點、點對多點通信
中心節(jié)點為ZIGBEE協(xié)調(diào)器，終端節(jié)點為ZIGBEE終端設備
所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點
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)絡結(jié)構(gòu)

MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點
系統(tǒng)采用多跳式路由通信
網(wǎng)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(jié)構(gòu)

MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡具有強大的功能，網(wǎng)絡的所有實體只有要通信范圍之內(nèi)，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(jié)構(gòu)還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；除此之外，網(wǎng)絡還具備自組織、自愈功能。

四、Zigbee技術特點

通信可靠
系統(tǒng)采用了CSMA－CA的碰撞避免機制，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，保證信息傳輸?shù)目煽啃裕?
網(wǎng)絡的自組織、自愈能力強
zigbee的自組織功能：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡；
zigbee自愈功能：增加、刪除或移動節(jié)點，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡都能夠自我修復無需人工干預，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。
成本低廉
設備的復雜程度低，且Zigbee協(xié)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(zhí)照頻段的2.4GHz，就是沒有使用費的無線通信。
網(wǎng)絡容量大
一個ZigBee網(wǎng)絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在200多個ZigBee網(wǎng)絡。

五、結(jié)合ZigBee和GPRS技術的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案
本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡是基于Zigbee并采用GPRS進行數(shù)據(jù)通信傳感器網(wǎng)絡，它是由大量的無線傳感器節(jié)點、匯節(jié)點和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線傳感器網(wǎng)絡的一個匯節(jié)點，每個簇成員（傳感器節(jié)點）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GPRS網(wǎng)絡與多個匯節(jié)點連接，匯節(jié)點和傳感器節(jié)點之間通過Zigbee技術實現(xiàn)無線的信息交換，帶有射頻收發(fā)器的無線傳感器節(jié)點負責對數(shù)據(jù)的感知和處理并傳送給匯節(jié)點；控制中心通過GPRS網(wǎng)絡獲取采集到的相關信息，實現(xiàn)對現(xiàn)場的有效控制和管理。

對于一個完整的傳感器節(jié)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(fā)射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為30米～70米，經(jīng)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(zhì)量指示，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設備可自動調(diào)整設備的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最小地消耗設備能量，本文提出的無線傳感器網(wǎng)絡其節(jié)點在睡眠狀態(tài)時，功耗電流約為30uA。在傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)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(jié)點上報給匯節(jié)點數(shù)據(jù)碰撞的概率。在網(wǎng)絡安全方面，無線傳感器網(wǎng)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?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。

分布在傳感器網(wǎng)絡中的匯節(jié)點主要用于接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)上報，并將其進行融合處理，傳給GPRS網(wǎng)絡傳遞給中央信息控制中心。Zigbee匯節(jié)點在此傳感器網(wǎng)絡中充當?shù)氖莻鞲衅鞴?jié)點和GPRS網(wǎng)絡之間的網(wǎng)關。

六、ZIGBEE產(chǎn)品應用場合
帶負載管理功能的自動抄表(AMR)系統(tǒng)；
油氣生產(chǎn)遙測遙控通信系統(tǒng)；
監(jiān)控照明、HVAC和寫字樓安全。
農(nóng)田耕作、環(huán)境監(jiān)測及其它區(qū)域進行工業(yè)監(jiān)控通信；
工業(yè)制造、過程控制遙測遙控；
對病患、設備及設施進行醫(yī)療和健康監(jiān)控；
家庭監(jiān)控、HVAC、安防報警系統(tǒng)運用；
有源RFID應用，例如電池供電標簽，它可用于產(chǎn)品運輸、產(chǎn)品跟蹤、存儲較大物品和財產(chǎn)管理；
軍事應用，包括戰(zhàn)場監(jiān)視和機器人控制；
汽車應用，配合傳感器網(wǎng)絡報告汽車所有系統(tǒng)的狀態(tài)。

七、順舟科技SZ02-ZIGBEE無線網(wǎng)絡數(shù)傳模塊
SZ02-ZIGBEE無線通信模塊是加強型的ZIGBEE模塊，具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性；可實現(xiàn)一點對多點及多點對多點之間的設備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組MESH型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。

集成簡單：RS232/485數(shù)據(jù)透明傳輸；
通信可靠：強大的網(wǎng)絡檢測和自恢復功能；
網(wǎng)絡規(guī)模：超大規(guī)模網(wǎng)絡組網(wǎng)能力；
超遠距離：傳輸達2公里；
產(chǎn)品類型：獨立設備和嵌入式小模塊。