基于GSM和ZigBee的远程无线数据采集系统

712011年第08期，第44卷 通 信 技 术 Vol.44，No.08,2011 总第236期 Communications Technology No.236,Totally

基于GSM和ZigBee的远程无线数据采集系统

苟争旭， 周渊平

（四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065） 【摘 要】近年来，无线传感器网络技术发展非常迅速，并在很多领域得到了广泛的应用。通过对全球移动通讯系统(GSM)和无线传感器网络协议ZigBee技术的研究，提出了一种结合这两种技术的远程无线数据采集系统。采用TI公司的ZigBee芯

片CC2430组成无线传感器网络，负责数据的采集和汇总。使用西门子公司的全球移动通讯系统模块TC35接入公共移动通信网络，把数据发送到远端。ZigBee模块和全球移动通讯系统模块之间通过RS-232串口通信。

【关键词】全球移动通讯系统；ZigBee技术；CC2430；无线传感器网络

【中图分类号】TP274.2 【文献标识码】A 【文章编号】1002-0802(2011)08-0071-03 Remote Wireless Data Acquisition System Based on GSM and ZigBee

GOU Zheng-xu， ZHOU Yuan-ping

（Department of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu Sichuan 610065, China） 【Abstract】In recent years, wireless sensor network technology achieves very high-speed development and wide application in many areas. Based on research of GSM and wireless sensor network protocol ZigBee technology, a

remote wireless data acquisition system is proposed. CC2430, the ZigBee chip from TI is employed to construct the wireless sensor network (WSN) for data acquisition and collection, the GSM module TC35 from Siemens for access

to the public mobile communication network, through which the data are transferred to the remote end. The ZigBee module implements communication with the GSM module through RS-232 serial port.

【Key words】GSM；ZigBee；CC2430；wireless sensor network

0 引言

对于仓库、温室、生产车间等场所，必须对现场的环境信息（包括温度、湿度、烟雾报警等）进行有效监控，特别是现场无人值守的情况下。这就要求监控者不在现场的情况下也能获取现场信息，即实现监控的漫游。第二代移动通信——GSM系统已经实现了全国联网和漫游，传输距离在理论上将不受限制，并且有短消息服务(SMS, Short Message Service)，利用这些特性可以实现数据的远程采集，并且数据接收端可以处于漫游状态。 传统的数据采集系统都是基于有线的方式，主要存在以下缺点：安装、布线繁琐、安全性、可移动性和可扩展性都比较差，而且只能在固定点查看数据，非常的不方便。ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线传输技术，具有低功耗、低成本、双向传输的特性，非常适合用来进行数据的无线采集。 提出了一种结合GSM和ZigBee的远程无线数据采集系统，在本地利用ZigBee技术组建一个局部网络，负责数据的采集和汇总。然后把数据通过GSM网络传向远端。这就实

现了数据的局部无线采集、汇总和远程的无线传输。 1 GSM和ZigBee技术介绍

1.1 GSM技术

GSM网络是在蜂窝系统的基础上发展而来的一种无线数

字网络标准，具有网络容量大、业务种类齐全、信号稳定性

强、具有较高的保密性和安全性以及灵活的切换处理和自动

漫游功能等众多优点。目前，我国已建立了全球规模最大、

性能最稳定的GSM网络，并己实现全国漫游和联网，为GSM

的各种应用奠定了坚实的基础[1]。 1.2 ZigBee技术 ZigBee是建立在IEEE 802.15.4标准基础之上的。IEEE

802.15.4标准是IEEE确定的低速率无线个域网PHY（Physical）层和MAC（Media Access Control）层的标准。收稿日期：2011-03-18。 作者简介：苟争旭（1987-），男，硕士研究生，主要研究方向为信号与信息处理；周渊平（1955-），男，教授，博士生导师，主要研究方向为通信与信息系统、信号与信息处理。 72 ZigBee标准定义了网络层、应用层。ZigBee无线通信技术

的主要特点如下：①数据传输速率低；②低功耗；③成本低；④时延短；⑤网络容量大；⑥近距离通信；⑦工作在免许可

无线通信频段；⑧提供三级安全模式[2]。 2 系统设计方案

2.1系统整体方案 系统是用来采集本地的数据信息，然后通过无线的方式传输到远端。系统分为本地部分和远程部分，如图1系统组

成框所示。本地部分是由ZigBee节点构成的局部无线数据采集网络和一个GSM Modem构成的GSM网络接入点组成。

ZigBee网络和GSM网络之间的互联是通过ZigBee网络的协调器和GSM Mdoem之间的RS232串口通信来实现的。

远程部分负责接收通过GSM网络传输过来的数据信息。远程数据的接收既可以用普通手机；也可以使用一个GSM

Modem来接收，并通过RS232串口把GSM Modem和计算机相连，就可从计算机上查看接收的数据信息。

本地部分Zigbee终端1传感器

Zigbee终端2传感器Zigbee协调器GSM模块ZigBee网络

GSM网络

远程部分GSM模块

图1 系统组成框 2.2 ZigBee数据采集部分设计

Zigbee标准将节点从分成2类:①全功能器件(FFD，Full Function Device),它拥有足够的存储空间来存放路由信息

且处理能力强,它承担了网络协调者的功能,可以同网络中的任何设备通信,可存在于任何拓扑结构中;②简化功能器

件(RFD，Reduce Function Device),它内存较小,功耗低,不能作为网络协调者,只能与FFD通信,多用于星型拓扑结构

中。Zigbee标准主要支持3种组网方式,星型网、对等网和混合网[3]。 本文的ZigBee数据采集部分采用星型组网的方式，网络中存在2类节点：由FFD构成的协调器节点和RFD构成的

终端节点。在该网络中协调器节点和终端节点都使用TI公司的ZigBee芯片CC2430，它是一个真正的片上系统（SoC）

解决方案，专门针对IEEE 802.15.4和ZigBeeTM的应用[4]。 协调器节点用来创建一个ZigBee星型网络。并负责和所有的终端节点进行通信，收集网络中各个终端节点采集的

数据，而且和GSM模块进行通信。协调器节点由3部分组成：①CC2430最小系统，包括芯片本身、晶振电路、复位电路、电源电路，它是芯片能够工作的最低要求；②天线电路，它

是节点间相互通信的基础，可以根据距离和功耗的不同需求，采用不同形式的天线；③CC2430和GSM模块都支持RS232

协议的串口通信，所以采用串口通信的方式来实现这两种网络之间的互联。串口通信电路使用一片支持RS232协议的电

压转换芯片。 终端节点的任务是在协调器建立网络之后，加入到网络

中，并和协调器进行通信。它的另一个任务是采集数据，所以还需传感器电路。它由下面3部分组成：①CC2430最小系统；②天线电路；③传感器电路，使用传感器DS18B20来采

集温度数据。它是美国DALLAS 半导体公司推出的一种单线数字式智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直

接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式[5]。DS18B20只有3个引脚，分别为电源、地和数据线，只需把数据线和CC2430的一个I/O口相连就即可对它进行操作。DS18B20电路连接如图2所示。

图2 DS18B20电路连接

2.3 GSM模块设计 GSM模块的作用是把本地采集的数据发送到远端去。因为ZigBee网络要实现远距离的传输比较困难，而现有的GSM

网络已经非常完善，覆盖率非常高，所以采用本地使用ZigBee网络实现传感器数据的采集与汇总，然后通过GSM网

络把数据以短消息的方式传送到远端去。GSM模块采用Siemens的TC35模块，它是一个GSM调制解调器，提供RS232

串口可以方便地与PC机、单片机连机通讯，并采用AT格式指令。

GSM模块电路包括以下几部分：①TC35模块，这是核心部件，实现GSM通信的所有功能；②电源模块；③SIM卡接

口电路，接入GSM网络必须要一张SIM电话卡；④RS232串口通信电路，实现和CC2430微控制器之间的通信。

3 系统软件设计及测试

3.1协调器节点软件设计 系统采用的是TI公司的CC2430芯片，TI公司为该型号的芯片提供了符合ZigBee协议的完整协议栈，能够实现

ZigBee网络的组建和所有的ZigBee协议规定的服务与应用。协议栈分为4层：物理层、MAC层、网络层和应用层。软件的设计主要是针对应用层的应用程序的编写，对下层的操作 73调用相应的服务即可。

协调器节点的程序流程如图3所示。程序先进行系统初始化，包括底层硬件初始化、协议栈的初始化。初始化完成

后，协调器节点建立一个网络，等待终端节点的加入。当终端节点加入到网络中后，协调器开始接收终端节点发送过来

的传感器数据，并把数据存入数据缓存中。检查数据是否超过警戒值或者是否收到远端发来的查询命令，两者只要有一

个成立便通过GSM模块向远端发送数据。然后进入下一次的数据接收。

3.2终端传节点软件设计 终端节点的程序流程如图4所示。同协调器一样，终端节点也需要进行相应的初始化。在初始化完成后，终端节点

便搜寻所在区域的网络，并向协调器发出申请加入网络的请求，得到允许后，终端节点便加入到网络中。然后节点对传

感器采集的数据进行一次读取，并把数据打包发送给协调器。一次操作完成后进入下一个循环周期。如果需要实现低

功耗，则让终端节点每采集一次数据并发送后进入休眠状态，休眠一段时间后重新被唤醒，再进行第二次数据采集与发送。

开始

初始化

加入一个已经存在的网络

对传感器数据进行一次读取成功？

打包采集的数据，发往coord

发送完成后进行下一次数据采集否