潘驍，閉金杰，林斌，王勛（廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林541004）

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基于ZigBee與GPRS技術(shù)環(huán)境數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

潘驍，閉金杰，林斌，王勛
（廣西師范大學(xué)電子工程學(xué)院，廣西桂林541004）

隨著物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)的快速發(fā)展，使得基于Zigbee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)的成本進(jìn)一步降低.本系統(tǒng)基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將采集到的環(huán)境參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺（OneNet）上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)存儲.

Zigbee；GPRS；云存儲；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0引言

環(huán)境數(shù)據(jù)檢測在眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對于環(huán)境空間大、測試點(diǎn)分布離散、測試主觀性強(qiáng)等特點(diǎn)，使得傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)存在綜合布線繁雜、成本過高、效率低下等問題［1］.隨著ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS技術(shù)、云服務(wù)器的發(fā)展，使得環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測與數(shù)據(jù)共享成為可能.筆者利用GPRS技術(shù)將Zigbee網(wǎng)絡(luò)采集到的環(huán)境（溫度、濕度、可燃?xì)怏w）數(shù)據(jù)每隔8 s上傳至云服務(wù)器上，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測、成本低、數(shù)據(jù)共享等優(yōu)點(diǎn).

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊、GSM/GPRS通信模塊、云服務(wù)器存儲及終端設(shè)備3部分組成.該檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)采集中有傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).傳感器節(jié)點(diǎn)的作用是采集并簡單處理環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將該數(shù)據(jù)傳至由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其處理能力、存儲能力和通信能力，比傳感器節(jié)點(diǎn)強(qiáng)，一般沒有感知能力［2］.協(xié)調(diào)器通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM/GPRS通信模塊，GSM/GPRS通信模塊由STM32、M35四頻GSM/GPRS模塊等組成.GSM/GPRS模塊將接收到的數(shù)據(jù)再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器.通過一部可聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)、PC機(jī)登錄云服務(wù)器即可實(shí)時(shí)監(jiān)測采集到的數(shù)據(jù).

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)模塊以TI（德州儀器公司）的CC2530芯片作為主控制芯片，還包括電源、USB、DHT11溫濕度傳感器、MQ-2氣體煙霧傳感器、SMA接口天線等部分組成.節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

CC2530是用于IEEE802.15.4、Zigbee、RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案.它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的2.4 GHz和RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 K RAM和其他許多強(qiáng)大的功能［3］.

在IAR開發(fā)軟件中添加Zigbee協(xié)議棧和傳感器驅(qū)動(dòng)函數(shù)，在開發(fā)軟件的workspace子窗口中分別選擇EndDeviceEB和CoordinatorEB進(jìn)行編譯，然后下載至節(jié)點(diǎn)模塊就可形成傳感器節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)模塊中無需接傳感器.

2.2 GSM/GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

GSM/GPRS模塊的數(shù)據(jù)來自協(xié)調(diào)器的串口，是系統(tǒng)中數(shù)據(jù)上傳的核心模塊，主要由STM32F103CBT6控制芯片、移遠(yuǎn)M35四頻GSM/GPRS模塊、SIM卡接口、RS232串口、電源等模塊構(gòu)成.主控制芯片STM32F103CBT6的串口1用于接收來自協(xié)調(diào)器的環(huán)境數(shù)據(jù)，串口2用于對M35四頻GSM/GPRS模塊指令控制.

M35是全球最小的四頻GSM/GPRS模塊，尺寸僅為19.9 mm×23.6 mm×2.65 mm.憑借超小尺寸、超低功耗和寬工作溫度范圍，M35是M2M應(yīng)用的理想解決方案，適用于車載、工業(yè)級PDA、個(gè)人跟蹤、無線POS、智能計(jì)量以及其它M2M的應(yīng)用，為其提供完善的GSM/GPRS的語音、短信、數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)［4］.

本設(shè)計(jì)中，首先將已開通GPRS服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)SIM卡插入模塊中的SIM卡槽，然后通過STM32F103CBT6控制芯片的串口2向GSM/GPRS模塊發(fā)送AT+QIOPEN=“TCP”、“183.230.40.33”、“80”指令與中國移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)器進(jìn)行連接.“TCP”為連接方式，“183.230.40.33”為云服務(wù)器的ip地址，“80”為端口號.連接成功后發(fā)送AT+QISEND指令將協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳，數(shù)據(jù)上傳格式如下：

POST/devices/284843/datapoints HTTP/1.1

api-key：EjVUpkVYWberlOCBIcT3BbKKbdEA

HOST：api.heclouds.com

Content-Length：59

｛"datastreams"：［｛"id"："Temp"，"datapoints"：［｛"value"：data｝］｝］｝

其中“284843”為云服務(wù)器中的設(shè)備ID，“api-key”為數(shù)據(jù)流所關(guān)聯(lián)的，“HOST”為服務(wù)器域名，“Content-Length”為發(fā)送的數(shù)據(jù)流字符長度，“Temp”為數(shù)據(jù)流名稱，“data”為所上傳的具體的參數(shù)的數(shù)值.設(shè)備ID、api-key名稱在注冊云服務(wù)器時(shí)由服務(wù)器分配，數(shù)據(jù)流名稱可自己定義.數(shù)據(jù)流上傳完成后以發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)據(jù)0x1a表示結(jié)束一次上傳.

GSM/GPRS通信模塊及數(shù)據(jù)上傳流程圖分別如圖3和圖4所示.

圖3　 GSM/GPRS通信模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4　 GSM/GPRS通信模塊數(shù)據(jù)上傳流程圖

2.3云服務(wù)器設(shè)計(jì)

國內(nèi)最大的電信運(yùn)營商，中國移動(dòng)在2014年11月正式發(fā)布物聯(lián)網(wǎng)開放平臺——OneNet（open.iot. 10086.cn）.OneNet平臺作為連接和數(shù)據(jù)的中心，能適應(yīng)各種傳感網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)，將面向智能家居、可穿戴設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)健康、智能創(chuàng)客等多個(gè)領(lǐng)域開放.

利用中國移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)開放平臺——OneNet申請免費(fèi)個(gè)人云服務(wù)，創(chuàng)建項(xiàng)目，在項(xiàng)目中添加設(shè)備，獲取設(shè)備ID和API-Key并設(shè)置連接方式及設(shè)備權(quán)限，然后添加數(shù)據(jù)流及關(guān)聯(lián)應(yīng)用.本系統(tǒng)創(chuàng)建項(xiàng)目后的設(shè)備情況如圖5所示.

圖5　服務(wù)器設(shè)備概況

圖6　系統(tǒng)實(shí)物圖

3系統(tǒng)測試

為了方便測試，系統(tǒng)使用了2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)板.將寫好的終端程序和協(xié)調(diào)器程序下載至對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)板中.再編寫GSM/GPRS通信模塊控制程序下載至STM32F103CBT6芯片中，進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試.系統(tǒng)實(shí)物如圖6所示，登錄設(shè)備監(jiān)控地址http://open.iot.10086.cn/appview/p/6bf865798bd4d9b6c307be75d3fe12b查看檢測結(jié)果，如圖7所示.

系統(tǒng)結(jié)合了ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)，利用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，再由GSM/GPRS模塊和協(xié)調(diào)器進(jìn)行串口通信，將收到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到云服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測.同時(shí)，在本系統(tǒng)上稍加改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)云服務(wù)器端對終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反向控制.ZigBee技術(shù)在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802.15.4的推動(dòng)下，結(jié)合其他無線技術(shù)，比如GPRS、EDGE、TDSCDMA，可以實(shí)現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用［5］.

圖7　監(jiān)控主界面圖

［1］劉青，宮強(qiáng).基于CC2530的ZigBee溫室智能無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J］.綿陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，34（2）：25-29.

［2］蔣吉娟，苗鳳娟，惠鵬飛.基于物聯(lián)網(wǎng)的敬老院環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，31（4）：32-33.

［3］姜仲，劉丹.Zigbee技術(shù)與實(shí)訓(xùn)教程——基于CC2530的無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2014.

［4］上海移遠(yuǎn)通信技術(shù)有限公司.M35_GSM_產(chǎn)品規(guī)格說明書［Z］.2011-12-29.

［5］張曉暉.融合ZigBee無線技術(shù)的GPRS網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用［J］.通信與信息技術(shù)，2008，（6）：65-67.

（責(zé)任編輯李健飛）

Design of Environmental Data M onitoring System Based on Zigbee and GPRS Technology

PAN Xiao，BI Jin-jie，LIN Bin，WANG Xun
（School of Electronic Engineering，Guangxi Normal University，Guilin，Guangxi 541004，China）

With the rapid development of the Internet of things（IOT），the cost of the application development of the IOT based on ZigBee technology is further reduced.This system is based on ZigBee wireless sensor network technology to collect the environmental parameters through the GPRS network to the China Mobile IOT cloud platform（OneNet），thereby achieving real-time monitoring of data and data storage.

ZigBee；GPRS；cloud storage；remote monitoring

T393

A

1673-1972（2016）03-0047-05

2016-03-28

潘驍（1989-），男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究.