熊 樹(shù)

(淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院,江蘇淮安 223300)

基于GSM和Zigbee的無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)

熊 樹(shù)

(淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院,江蘇淮安 223300)

介紹了基于GSM和Zigbee協(xié)議的無(wú)線遠(yuǎn)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.該方案綜合利用了GSM技術(shù)和短距離無(wú)線通信技術(shù),將GSM網(wǎng)絡(luò)短信平臺(tái)與MSP430F123單片機(jī)相結(jié)合,使用短距離無(wú)線通信芯片CC2420,進(jìn)行多點(diǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸.系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且成本低廉.

傳感器;GSM;Zigbee協(xié)議;無(wú)線通信

0 引言

在電機(jī)控制、變壓器溫升測(cè)試以及重要電力設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,溫度變化都是其中的一個(gè)重要監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié).這些系統(tǒng)和設(shè)備的溫度分布一般比較復(fù)雜,不僅要求測(cè)溫部分提供高可靠的實(shí)時(shí)溫度,而且可以根據(jù)不同的監(jiān)控要求靈活地改變測(cè)量點(diǎn).近年來(lái)興起的ZigBee技術(shù),不僅具有低功耗、低成本的特點(diǎn),還可以方便地實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)[1].利用這一特點(diǎn)將ZigBee技術(shù)與溫度測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來(lái),構(gòu)成組網(wǎng)靈活的無(wú)線測(cè)溫系統(tǒng),即可滿足上述要求.本文在利用現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)終端(GSM模塊作為數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的條件下),主要對(duì)目前的新技術(shù)(Zigbee)進(jìn)行分析研究,將兩種技術(shù)進(jìn)行融合,使得新的網(wǎng)絡(luò)方案既可以節(jié)省功耗,又可以廣泛實(shí)現(xiàn)可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線多點(diǎn)分散式監(jiān)控,彌補(bǔ)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(jì)算機(jī);2)數(shù)據(jù)接收模塊,由MSP430F123單片機(jī)、短距離無(wú)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(jī)、短距離無(wú)線通信芯片CC2420、信號(hào)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(guó)西門(mén)子公司的TC35模塊.

工控計(jì)算機(jī)通過(guò)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(jìn)行處理,進(jìn)而通過(guò)GSM模塊1發(fā)出指令,指令通過(guò) GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?GSM模塊2,再由 GSM模塊2傳輸給主單片機(jī)MSP430F123(通過(guò)串口通信),單片機(jī)根據(jù)指令選擇相應(yīng)的程序,通過(guò)主通信芯片CC2420發(fā)送到從通信芯片CC2420,從單片機(jī)MSP430F123執(zhí)行指令,控制采集電路對(duì)相應(yīng)的采集點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.信息采集完畢后再由從單片機(jī)發(fā)送給主單片機(jī),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?jì)算,計(jì)算機(jī)接收到短信后通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件和數(shù)據(jù)管理程序,執(zhí)行相應(yīng)的操作,最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集.

2 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括上位硬件和下位硬件設(shè)計(jì).工控計(jì)算機(jī)通過(guò)USB與GSM模塊1連接,同時(shí)向其提供工作電源.主單片機(jī)的串口通過(guò)多路開(kāi)關(guān)與GSM 2模塊和主通信芯片CC2420連接.監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)測(cè)量終端硬件電路主要由MSP430單片機(jī)、JTAG接口電路、鍵盤(pán)及LCD顯示電路、實(shí)時(shí)時(shí)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(luò)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)將基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、匯節(jié)點(diǎn)和GSM模塊組成.首先,通過(guò)節(jié)點(diǎn)(即一個(gè)Zigbee無(wú)線傳感器模塊),可以采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息,組成了星型結(jié)構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò),節(jié)點(diǎn)與匯節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信,先把數(shù)據(jù)傳給匯節(jié)點(diǎn),匯節(jié)點(diǎn)含有MCU控制進(jìn)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(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳給工控計(jì)算機(jī).網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參見(jiàn)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(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,首先將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)送入從單片機(jī)中,從單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,使數(shù)據(jù)合理化,小數(shù)點(diǎn)的位數(shù)按要求進(jìn)行四舍五入,同時(shí)在液晶顯示屏上進(jìn)行顯示,然后通過(guò)短距離通信傳輸?shù)街鲉纹瑱C(jī),再通過(guò)RS232接口傳給 GSM模塊1,GSM模塊1通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控系統(tǒng).

3.1 匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯總

Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)與匯節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸:首先匯節(jié)點(diǎn)主動(dòng)發(fā)送連接指令,傳感器節(jié)點(diǎn)的Zigbee模塊成功接收了數(shù)據(jù)禎和MAC命令,返回一個(gè)確認(rèn)幀.之后,Zigbee模塊只會(huì)根據(jù)需求發(fā)出連接請(qǐng)求,匯節(jié)點(diǎn)開(kāi)始等候Zigbee模塊發(fā)出連接請(qǐng)求,Zigbee模塊節(jié)點(diǎn)進(jìn)入Sleep模式,只有當(dāng)被喚醒的時(shí)候,再主動(dòng)與匯節(jié)點(diǎn)建立連接,這樣保證節(jié)點(diǎn)與匯節(jié)點(diǎn)之間的雙向通信的同時(shí),降低了功耗和保證安全性[7].

3.2 基于GSM的遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

通過(guò)通信模塊將匯節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降紾SM模塊1,再經(jīng)過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)以短信的方式傳輸給GSM模塊2,模塊2通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)送到數(shù)據(jù)管理中心(工控機(jī)).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(lái)數(shù)據(jù)由監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行處理,包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示,故障信息處理及顯示,報(bào)警顯示,歷史數(shù)據(jù)保存,發(fā)送相應(yīng)指令等.數(shù)據(jù)處理流程如圖3.

4 軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)短消息的發(fā)送和接收都是通過(guò)中斷方式進(jìn)行的,在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中短消息是通過(guò)AT指令進(jìn)行接收和發(fā)送的,應(yīng)用AT指令應(yīng)該遵循一定的軟件協(xié)議.

4.1 短信接收程序設(shè)計(jì)

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(shí),首先進(jìn)行的是短消息接收是否結(jié)束的檢驗(yàn),只有檢驗(yàn)到接收結(jié)束之后才能進(jìn)行下一步處理.當(dāng)短消息接收結(jié)束之后,還需要對(duì)接收到的短消息信息進(jìn)行判斷,判斷在傳輸過(guò)程中是否發(fā)生錯(cuò)誤,以致收到的信息己經(jīng)無(wú)效.接收程序流程如圖4所示.

4.2 短信發(fā)送程序設(shè)計(jì)

采集端采集到數(shù)據(jù)后給單片機(jī)發(fā)送中斷計(jì)數(shù)信號(hào),單片機(jī)接收中斷信號(hào),完成計(jì)數(shù)任務(wù),然后將結(jié)果存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器緩存區(qū),再經(jīng)過(guò)一定的編碼進(jìn)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(yǔ)

本文將GSM模塊與Zigbee新技術(shù)相結(jié)合,提出了一種無(wú)線溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,同時(shí)分析其軟件實(shí)現(xiàn)原理.具有工作穩(wěn)定,成本低,無(wú)短信丟失、無(wú)出錯(cuò)現(xiàn)象,應(yīng)用前景廣闊.

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

[2] 倪建軍,范躍祖,李松林.利用GSM短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)GPS車(chē)輛監(jiān)控 [J].電子技術(shù)應(yīng)用,2000(7):53-55.

[3] 郭鵬,孫瑋,韓璞.基于手機(jī)短消息(SMS)的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的研制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2002(8):506-507.

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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(zé)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(shù)(1980-),男,江蘇淮安人,講師,碩士,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制、電力電子與電力傳動(dòng).