熊 樹

(淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院,江蘇淮安 223300)

基于GSM和Zigbee的無線溫度測量系統(tǒng)

熊 樹

(淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院,江蘇淮安 223300)

介紹了基于GSM和Zigbee協(xié)議的無線遠距離測溫系統(tǒng)設計方案.該方案綜合利用了GSM技術和短距離無線通信技術,將GSM網(wǎng)絡短信平臺與MSP430F123單片機相結(jié)合,使用短距離無線通信芯片CC2420,進行多點遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸.系統(tǒng)運行穩(wěn)定且成本低廉.

傳感器;GSM;Zigbee協(xié)議;無線通信

0 引言

在電機控制、變壓器溫升測試以及重要電力設備的在線監(jiān)測系統(tǒng)中,溫度變化都是其中的一個重要監(jiān)測環(huán)節(jié).這些系統(tǒng)和設備的溫度分布一般比較復雜,不僅要求測溫部分提供高可靠的實時溫度,而且可以根據(jù)不同的監(jiān)控要求靈活地改變測量點.近年來興起的ZigBee技術,不僅具有低功耗、低成本的特點,還可以方便地實現(xiàn)自組網(wǎng)[1].利用這一特點將ZigBee技術與溫度測量技術結(jié)合起來,構(gòu)成組網(wǎng)靈活的無線測溫系統(tǒng),即可滿足上述要求.本文在利用現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡終端(GSM模塊作為數(shù)據(jù)傳輸應用的條件下),主要對目前的新技術(Zigbee)進行分析研究,將兩種技術進行融合,使得新的網(wǎng)絡方案既可以節(jié)省功耗,又可以廣泛實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸,從而實現(xiàn)遠距離無線多點分散式監(jiān)控,彌補了傳統(tǒng)有線傳感器系統(tǒng)的不足[2,3].

1 系統(tǒng)工作原理和整體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由三部分組成:1)用于系統(tǒng)整體管理的工控計算機;2)數(shù)據(jù)接收模塊,由MSP430F123單片機、短距離無線通信芯片CC2420、GSM模塊構(gòu)成;3)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊,由MSP430F123單片機、短距離無線通信芯片CC2420、信號采樣電路和傳感器構(gòu)成.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.GSM模塊采用德國西門子公司的TC35模塊.

工控計算機通過USB接口與GSM模塊1連接,將GSM模塊1接收到的數(shù)據(jù)短信進行處理,進而通過GSM模塊1發(fā)出指令,指令通過 GSM網(wǎng)絡傳輸?shù)?GSM模塊2,再由 GSM模塊2傳輸給主單片機MSP430F123(通過串口通信),單片機根據(jù)指令選擇相應的程序,通過主通信芯片CC2420發(fā)送到從通信芯片CC2420,從單片機MSP430F123執(zhí)行指令,控制采集電路對相應的采集點進行數(shù)據(jù)采集.信息采集完畢后再由從單片機發(fā)送給主單片機,再由 GSM模塊2以短信的方式發(fā)送給 GSM模塊1,最終傳輸?shù)焦た赜嬎?計算機接收到短信后通過監(jiān)測軟件和數(shù)據(jù)管理程序,執(zhí)行相應的操作,最終實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集.

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 溫度測量系統(tǒng)硬件設計

硬件設計包括上位硬件和下位硬件設計.工控計算機通過USB與GSM模塊1連接,同時向其提供工作電源.主單片機的串口通過多路開關與GSM 2模塊和主通信芯片CC2420連接.監(jiān)測節(jié)點測量終端硬件電路主要由MSP430單片機、JTAG接口電路、鍵盤及LCD顯示電路、實時時鐘電路、串行接口電路、數(shù)據(jù)采集電路等組成[4,5].

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡設計方案

該系統(tǒng)將基于Zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡與GSM模塊的數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合,形成分布式系統(tǒng),主要由各個無線傳感器節(jié)點、匯節(jié)點和GSM模塊組成.首先,通過節(jié)點(即一個Zigbee無線傳感器模塊),可以采集各個節(jié)點信息,組成了星型結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡,節(jié)點與匯節(jié)點之間通過Zigbee技術實現(xiàn)無線通信,先把數(shù)據(jù)傳給匯節(jié)點,匯節(jié)點含有MCU控制進行匯總數(shù)據(jù)后再將數(shù)據(jù)直接傳給含GSM模塊的數(shù)據(jù)終端,GSM模塊在通過GSM網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳給工控計算機.網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)參見文[6].

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

3 集數(shù)據(jù)的處理

要完成對采集到的數(shù)據(jù)進行處理,首先將現(xiàn)場數(shù)據(jù)送入從單片機中,從單片機對數(shù)據(jù)進行處理,使數(shù)據(jù)合理化,小數(shù)點的位數(shù)按要求進行四舍五入,同時在液晶顯示屏上進行顯示,然后通過短距離通信傳輸?shù)街鲉纹瑱C,再通過RS232接口傳給 GSM模塊1,GSM模塊1通過GSM網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控系統(tǒng).

3.1 匯節(jié)點數(shù)據(jù)匯總

Zigbee傳感器節(jié)點與匯節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳輸:首先匯節(jié)點主動發(fā)送連接指令,傳感器節(jié)點的Zigbee模塊成功接收了數(shù)據(jù)禎和MAC命令,返回一個確認幀.之后,Zigbee模塊只會根據(jù)需求發(fā)出連接請求,匯節(jié)點開始等候Zigbee模塊發(fā)出連接請求,Zigbee模塊節(jié)點進入Sleep模式,只有當被喚醒的時候,再主動與匯節(jié)點建立連接,這樣保證節(jié)點與匯節(jié)點之間的雙向通信的同時,降低了功耗和保證安全性[7].

3.2 基于GSM的遠距離無線數(shù)據(jù)傳輸

通過通信模塊將匯節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)降紾SM模塊1,再經(jīng)過GSM網(wǎng)絡以短信的方式傳輸給GSM模塊2,模塊2通過USB接口將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)管理中心(工控機).數(shù)據(jù)傳輸流程如圖2.

3.3 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理

GSM傳來數(shù)據(jù)由監(jiān)控系統(tǒng)進行處理,包括監(jiān)測數(shù)據(jù)實時顯示,故障信息處理及顯示,報警顯示,歷史數(shù)據(jù)保存,發(fā)送相應指令等.數(shù)據(jù)處理流程如圖3.

4 軟件程序設計

系統(tǒng)短消息的發(fā)送和接收都是通過中斷方式進行的,在實現(xiàn)過程中短消息是通過AT指令進行接收和發(fā)送的,應用AT指令應該遵循一定的軟件協(xié)議.

4.1 短信接收程序設計

圖2 數(shù)據(jù)傳輸流程

圖3 監(jiān)控中心數(shù)據(jù)處理流程

在接收短消息時,首先進行的是短消息接收是否結(jié)束的檢驗,只有檢驗到接收結(jié)束之后才能進行下一步處理.當短消息接收結(jié)束之后,還需要對接收到的短消息信息進行判斷,判斷在傳輸過程中是否發(fā)生錯誤,以致收到的信息己經(jīng)無效.接收程序流程如圖4所示.

4.2 短信發(fā)送程序設計

采集端采集到數(shù)據(jù)后給單片機發(fā)送中斷計數(shù)信號,單片機接收中斷信號,完成計數(shù)任務,然后將結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲器緩存區(qū),再經(jīng)過一定的編碼進入發(fā)送短消息子程序,接收程序流程如圖5所示.

圖5 發(fā)送程序流程

圖4 接收程序流程

5 結(jié)束語

本文將GSM模塊與Zigbee新技術相結(jié)合,提出了一種無線溫度測量系統(tǒng)的設計方案,同時分析其軟件實現(xiàn)原理.具有工作穩(wěn)定,成本低,無短信丟失、無出錯現(xiàn)象,應用前景廣闊.

[1] 李鳳保,劉金,古天祥.網(wǎng)絡化傳感器技術研究 [J].傳感器術,2002,21(7):64-67.

[2] 倪建軍,范躍祖,李松林.利用GSM短消息業(yè)務實現(xiàn)GPS車輛監(jiān)控 [J].電子技術應用,2000(7):53-55.

[3] 郭鵬,孫瑋,韓璞.基于手機短消息(SMS)的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].計算機測量與控制,2002(8):506-507.

[4] 張小平.GSM污染源自動連續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機應用研究,2003(2):158-160.

[5] Zhao Z,CuiL.A remote health care solution Proceedingof the 2005 IEEE Engineering inMedicine and Biology 27th Annual Conference[R].Shanghai:China EasiMed,2005.

[6] Ding G,Sahinoglu Z,Orlik P,etal.Tree-Based Data Broadcast in IEEE 802.15.4 and ZigBee Networks[J].IEEE transactions onmobile computing,2006,38(11):1561-1574.

[7] David G.Usersmake a Beeline for ZigBee sensor technology[J].IEEE computer society,2005,38(12):16-19.

Abstract:A novel solution of long-distance temperaturemeasuring system based on GSM and Zigbee ispresented.The solution using GSM and short-distance communication technology.A novelwireless data transfer system based on GSM,MSP430F123 and short transceiver chip CC2420 is presented.The system can work reliable for remote control and transmission with low operational cost.

Key words:sensors;GSM;zigbee protocol;wireless communication

[責任編輯:蔣海龍]

Temperature Measuring System Based on GSM and Zigbee

XIONG Shu

(School of Physicsand Electronic Electrical Engineering,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

TN923

A

1671-6876(2010)06-0489-03

2009-12-18

熊樹(1980-),男,江蘇淮安人,講師,碩士,研究方向為計算機控制、電力電子與電力傳動.