摘要：本文提出了利用GSM網路傳輸基於Zigbee無線感測器匯節點數據的完整無線感測器網路設計，網路採用星型拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個Zigbee感測器節點的功耗，減少了感測器節點向匯節點上報數據時相互碰撞的概率，並利用GSM網路傳輸匯節點的數據，改變了傳統無線感測器網路需要依託有線公共網路進行數據傳輸的限制，使網路具有非常顯著的優點。
1. 引言
無線感測器網路(wireless sensor network) [1]是一個熱點的研究領域，它在環境監測、軍事、醫療健康、家庭智能監控和其他商業領域[2]有著廣泛的應用前景。無線感測器網路具有感測器節點密度高，網路拓撲變化頻繁，以及節點的功率、計算能力和數據存儲能力有限等特點。
GSM（Globe System of Mobile）網路是覆蓋範圍廣，性能較為完善的無線網路，GSM通信網本身具有較強的數據糾錯能力[3]，數據傳輸率較高可達9.6kbit/s能夠保證數據傳輸的可靠性和實時性，本文提出的網路實現採用SIEMENS TC35模塊作為GSM網數據傳輸終端。Zigbee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議為IEEE802.15.4協議標準[4]。Zigbee技術具有三個工作頻段，本文提出的無線感測器網路工作在2.4GHz 全球通用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）免付費頻段上，劃分為16個通道，在該頻段上，數據傳輸速率為250kb/s。用Zigbee技術組成的無線感測器網路結構簡單、體積小、成本低；採用GSM網路進行數據傳輸的TC35模塊體積小、功耗低，適合作為無線感測器網路的數據節點，Zigbee技術、GSM網路數據傳輸與感測器技術相結合組成新興的無線感測器網路，必將有廣泛的應用前景。在本文第二節將詳細介紹實現基於Zigbee的無線感測器設計，在第三節我們重點介紹用TC35模塊實現的數據傳輸，其網路的性能和工程中需要注意的問題將利用第四節進行簡單總結。
2.基於Zigbee無線感測器網路
到目前為止，Zigbee技術在國外已經在家庭網路、控制網路、手機移動終端等領域有了一定的應用，但是現有Zigbee技術構成的網路每個接入點所能接納的感測器的節點數遠遠低於協議所標稱的255個，為了達到感測器網路密集覆蓋的目的，就必須進行複雜的組網，這不僅增加了網路的複雜性，還增加了網路整體的功耗，降低了感測器節點的壽命。本方案則基於每個感測器節點和匯節點之間通信量較小的特點，提出了一種基於需求時喚醒(Wake up On-demand )的星型網路拓撲模式，需求時喚醒的基本思想就是感測器節點在監測的環境發生變化時，感測器節點能自動醒來和匯節點進行通信並上報相關信息；否則工作於睡眠狀態並採用低功率監測通道，以節約感測器節點功耗並拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入匯節點時消息碰撞的概率，極大地增加了感測器網路容量。
2.1 感測器網路的系統結構
本文提出的無線感測器網路是基於Zigbee並採用GSM進行數據通信感測器網路，它是由大量的無線感測器節點、匯節點和GSM數據傳輸模塊組成的分散式系統，如圖1所示。基於簇(Cluster)的分層結構具有天然的分散式處理能力，簇頭就是分散式處理中心即本文無線感測器網路的一個匯節點，每個簇成員（感測器節點）都把數據傳給簇頭，數據融合后直接傳給GSM數據傳輸。中央控制中心通過GSM網路與多個匯節點連接，匯節點和感測器節點之間通過Zigbee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線感測器節點負責對數據的感知和處理並傳送給匯節點；控制中心通過GSM網路獲取採集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。
2.1.1 Zigbee無線感測器節點
對於一個完整的感測器節點，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，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，本文提出的無線感測器網路其節點在睡眠狀態時，功耗電流約為30uA。在感測器網路數據通信時，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感測器節點上報給匯節點數據碰撞的概率。在網路安全方面，無線感測器網路在Zigbee技術上，採用了密鑰長度為128位的加密演算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。
本文提出的無線感測器節點的硬體結構如圖2所示，它由Zigbee模塊（MC13192和MC9S08兩部分所組成）、硬體檢測電路和定時器組成。硬體檢測電路檢測感測器節點所在的環境，當環境發生變化時，觸發Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態喚醒，模塊利用自身的控制晶元對信息進行處理后，再以無線的方式傳送給匯節點。
2.1.2 Zigbee匯節點和GSM數據模塊
分佈在感測器網路中的匯節點主要用於接收感測器節點的數據上報，並將其進行融合處理，傳給TC35數據模塊通過GSM網路傳遞給中央信息控制中心。Zigbee無線感測器網路中的匯節點及其GSM數據模塊其硬體模塊如圖3所示，它由Zigbee模塊、16位微控制器MSP430、GSM數據模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過非同步串列口實現的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由於感測器網路中分佈著多個匯節點，因此16位的微控制器要利用軟體中斷實現對不同ID匯節點上傳數據輪詢掃描，使匯節點的數據可以有序、完整地通過微控制器處理後傳出。匯節點在此感測器網路中充當的是感測器節點和GSM網路之間的網關。
2.1.3 中央信息控制中心
中央信息控制中心由監控模塊、配置模塊、資料庫三個部分組成。它通過GSM網路與多個匯節點間接連接在一起，監控模塊通過對通信串口的實時監控，實現對分散式匯節點上報信息的及時接收、解析、處理以及發送控制信令給不同ID的匯節點實現對感測器節點的間接、實時性的監控和數據採集。
2.2 Zigbee匯節點和感測器節點之間基於需求時喚醒的工作模式
為了增加Zigbee無線感測器網路的容量以及解決感測器網路中一個重要的能源供給的問題，對於Zigbee感測器網路核心之一——Zigbee匯節點和感測器節點之間的通信。本網路採用了基於需求時喚醒的工作模式。這種模式可以大大節省感測器節點的功耗，減少信息上報的時的碰撞概率，延長網路的壽命。下面詳細討論一下Zigbee匯節點和感測器節點之間的通信過程，即它的初始化過程和信息處理過程。
2.2.1 Zigbee模塊初始化過程
Zigbee模塊進行通信之前需要進行有效的初始化，Zigbee匯節點和感測器節點之間的初始化流程如圖4所示，在初始化通信過程中，匯節點主動廣播連接信令， 在感測器節點成功地接收和驗證一個數據幀和MAC命令幀后，向匯節點返回確認幀，感測器節點的Zigbee模塊被置於Sleep工作模式，接下來匯節點與感測器節點進行主從角色轉換，匯節點模塊處於從模式工作狀態，等候響應連接請求信令；此時感測器節點中的Zigbee模塊工作在主模式下，等待著有需求時喚醒發起連接請求。在初始化結束后，感測器節點Zigbee模塊工作於Sleep模式，拒絕任何的連接請求。這種設計大大降低了感測器節點的功耗；並且感測器節點只是在有需求時喚醒並主動與匯節點建立連接，從而有效地控制了其他網路中Zigbee物理射頻以及其他感測器節點和匯節點的非法連接請求，保證了匯節點和感測器節點間通信的安全可靠。 
2.2.2 Zigbee模塊信息處理過程
信息處理過程是在感測器節點的硬體檢測電路檢測到其所在的環境發生變化時，由感測器節點中的Zigbee模塊對信息簡單處理后，主動發起連接將處理后的信息傳送給匯節點，其通信流程如圖5所示。由於在工程中測試結論已表明，該無線感測器網路的感測器節點99％以上的時間處於Sleep狀態，只需要周期性地監?其無線通道，判斷是否有需要自己處理的數據消息，功耗的數學期望值可低至30μA。
3.GSM數據傳輸的實現
本文提出以GSM網路作為數據無線傳輸網路，是整個無線感測器網路中一個很突出的優點，採用SIEMENS公司TC35模塊作為數據傳輸終端，可以快速、可靠地實現感測器網路中數據的傳輸。TC35由若干超大規模集成電路和射頻器件組成，相當於一個移動台,內嵌 SIEMENS TC35 移動引擎電路模塊，支持數據業務，工程中可做嵌入式應用。利用MSP430微控制器控制TC35模塊完成匯節點和中央控制中心的通信。MSP430微處理器與TC35通過非同步串列口相連，通過AT指令對GSM控制器進行寫操作，模塊支持標準AT指令，可採用SIMENS增強AT指令控制進行數據傳輸，在工程應用時，只需要給模塊配備SIM即可,數據傳輸過程描述如下：
發送端：
AT＋FCLASS=0 ；設置模塊為數據傳輸方式
ATD13********* ；呼叫接收端電話號碼
CONNECT9600/RLP ；設置波特率
…… ；數據發送
＋＋＋ ；退回命令狀態
ATH ；傳輸終止
接收端：
……. ；等待呼叫檢測
ATA ；應答，設置ATS0=1為振鈴后自動應答
CONNECT9600/RLP ；匹配返回的波特率
…… ；數據接收
＋＋＋ ；返回命令行
ATH ；終止傳輸
4.網路性能改善及結論
本無線感測器網路實現基於新興而有潛力的Zigbee技術和較完善的GSM網路的數據傳輸，工程實驗表明有很大的應用價值，Zigbee無線感測器網路核心模塊使用的是Freescale公司的射頻數據機MC13192和一個低電壓、低功耗的MCU-HCS08。工程實現的Zigbee無線感測器網路是基於需求時喚醒的，該網路結構只允許在匯節點和感測器節點之間交換數據，即感測器節點向匯節點發送數據以及匯節點發送數據給感測器節點。在匯節點和感測器節點之間沒有數據信息交換時，感測器節點處於睡眠狀態，匯節點和感測器節點的Zigbee模塊只進行低功耗的通道掃描，因而匯節點和感測器節點組成網路拓撲，每個匯節點能夠監控的感測器節點的數目大大增加，工程中連接的感測器節點數目已經達到了64個，感測器網路仍然保持著安全穩定的性能。由於每個感測器節點與匯節點之間傳輸的信息很少，信息碰撞的可能性很小，此拓撲結構和需求時喚醒模式確保了信息的可靠傳輸。工程中需要注意的要點有：
網路有三個顯著的改善，網路採用星型拓撲和需求時喚醒Zigbee模塊的通信方式，有效降低了每個Zigbee感測器節點的功耗，減少了感測器節點向匯節點上報數據時相互碰撞的概率；利用GSM網路傳輸匯節點的數據，改變了傳統無線感測器網路需要依託有線公共網路進行數據傳輸的限制；Zigbee技術較之對等實現技術（例如，藍牙技術）構成的匯節點控制感測器節點的數目大大增加，多達255個。
無線感測器網路與Zigbee技術的結合有著廣泛的應用前景，本文提出的Zigbee技術和GSM網路實現的低成本、低功耗的無線感測器網路的解決方案，研究實現了若干關鍵技術，符合IEEE1451系列標準的要求，允許不同設備之間進行互操作。工程試驗結果充分顯示了技術的可行性和實現的靈活性。
參考文獻
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