基于GSM和Zigbee的无线温度测量系统

熊 树

(淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安 223300)

基于GSM和Zigbee的无线温度测量系统

熊 树

(淮阴师范学院物理与电子电气工程学院,江苏淮安 223300)

介绍了基于GSM和Zigbee协议的无线远距离测温系统设计方案.该方案综合利用了GSM技术和短距离无线通信技术,将GSM网络短信平台与MSP430F123单片机相结合,使用短距离无线通信芯片CC2420,进行多点远程监控和数据传输.系统运行稳定且成本低廉.

传感器;GSM;Zigbee协议;无线通信

0 引言

在电机控制、变压器温升测试以及重要电力设备的在线监测系统中,温度变化都是其中的一个重要监测环节.这些系统和设备的温度分布一般比较复杂,不仅要求测温部分提供高可靠的实时温度,而且可以根据不同的监控要求灵活地改变测量点.近年来兴起的ZigBee技术,不仅具有低功耗、低成本的特点,还可以方便地实现自组网[1].利用这一特点将ZigBee技术与温度测量技术结合起来,构成组网灵活的无线测温系统,即可满足上述要求.本文在利用现有GSM网络终端(GSM模块作为数据传输应用的条件下),主要对目前的新技术(Zigbee)进行分析研究,将两种技术进行融合,使得新的网络方案既可以节省功耗,又可以广泛实现可靠的无线数据传输,从而实现远距离无线多点分散式监控,弥补了传统有线传感器系统的不足[2,3].

1 系统工作原理和整体结构

该系统由三部分组成:1)用于系统整体管理的工控计算机;2)数据接收模块,由MSP430F123单片机、短距离无线通信芯片CC2420、GSM模块构成;3)数据发送模块,由MSP430F123单片机、短距离无线通信芯片CC2420、信号采样电路和传感器构成.系统整体结构如图1所示.GSM模块采用德国西门子公司的TC35模块.

工控计算机通过USB接口与GSM模块1连接,将GSM模块1接收到的数据短信进行处理,进而通过GSM模块1发出指令,指令通过 GSM网络传输到 GSM模块2,再由 GSM模块2传输给主单片机MSP430F123(通过串口通信),单片机根据指令选择相应的程序,通过主通信芯片CC2420发送到从通信芯片CC2420,从单片机MSP430F123执行指令,控制采集电路对相应的采集点进行数据采集.信息采集完毕后再由从单片机发送给主单片机,再由 GSM模块2以短信的方式发送给 GSM模块1,最终传输到工控计算,计算机接收到短信后通过监测软件和数据管理程序,执行相应的操作,最终实现远程数据采集.

2 系统的实现

2.1 温度测量系统硬件设计

硬件设计包括上位硬件和下位硬件设计.工控计算机通过USB与GSM模块1连接,同时向其提供工作电源.主单片机的串口通过多路开关与GSM 2模块和主通信芯片CC2420连接.监测节点测量终端硬件电路主要由MSP430单片机、JTAG接口电路、键盘及LCD显示电路、实时时钟电路、串行接口电路、数据采集电路等组成[4,5].

2.2 系统网络设计方案

该系统将基于Zigbee技术的无线传感器网络与GSM模块的数据传输相结合,形成分布式系统,主要由各个无线传感器节点、汇节点和GSM模块组成.首先,通过节点(即一个Zigbee无线传感器模块),可以采集各个节点信息,组成了星型结构的传感器网络,节点与汇节点之间通过Zigbee技术实现无线通信,先把数据传给汇节点,汇节点含有MCU控制进行汇总数据后再将数据直接传给含GSM模块的数据终端,GSM模块在通过GSM网络将数据传给工控计算机.网络结构参见文[6].

图1 系统整体结构

3 集数据的处理

要完成对采集到的数据进行处理,首先将现场数据送入从单片机中,从单片机对数据进行处理,使数据合理化,小数点的位数按要求进行四舍五入,同时在液晶显示屏上进行显示,然后通过短距离通信传输到主单片机,再通过RS232接口传给 GSM模块1,GSM模块1通过GSM网络把数据传给监控系统.

3.1 汇节点数据汇总

Zigbee传感器节点与汇节点之间的数据传输:首先汇节点主动发送连接指令,传感器节点的Zigbee模块成功接收了数据祯和MAC命令,返回一个确认帧.之后,Zigbee模块只会根据需求发出连接请求,汇节点开始等候Zigbee模块发出连接请求,Zigbee模块节点进入Sleep模式,只有当被唤醒的时候,再主动与汇节点建立连接,这样保证节点与汇节点之间的双向通信的同时,降低了功耗和保证安全性[7].

3.2 基于GSM的远距离无线数据传输

通过通信模块将汇节点数据传输到到GSM模块1,再经过GSM网络以短信的方式传输给GSM模块2,模块2通过USB接口将数据送到数据管理中心(工控机).数据传输流程如图2.

3.3 监控中心数据处理

GSM传来数据由监控系统进行处理,包括监测数据实时显示,故障信息处理及显示,报警显示,历史数据保存,发送相应指令等.数据处理流程如图3.

4 软件程序设计

系统短消息的发送和接收都是通过中断方式进行的,在实现过程中短消息是通过AT指令进行接收和发送的,应用AT指令应该遵循一定的软件协议.

4.1 短信接收程序设计

图2 数据传输流程

图3 监控中心数据处理流程

在接收短消息时,首先进行的是短消息接收是否结束的检验,只有检验到接收结束之后才能进行下一步处理.当短消息接收结束之后,还需要对接收到的短消息信息进行判断,判断在传输过程中是否发生错误,以致收到的信息己经无效.接收程序流程如图4所示.

4.2 短信发送程序设计

采集端采集到数据后给单片机发送中断计数信号,单片机接收中断信号,完成计数任务,然后将结果存入数据存储器缓存区,再经过一定的编码进入发送短消息子程序,接收程序流程如图5所示.

图5 发送程序流程

图4 接收程序流程

5 结束语

本文将GSM模块与Zigbee新技术相结合,提出了一种无线温度测量系统的设计方案,同时分析其软件实现原理.具有工作稳定,成本低,无短信丢失、无出错现象,应用前景广阔.

[1] 李凤保,刘金,古天祥.网络化传感器技术研究 [J].传感器术,2002,21(7):64-67.

[2] 倪建军,范跃祖,李松林.利用GSM短消息业务实现GPS车辆监控 [J].电子技术应用,2000(7):53-55.

[3] 郭鹏,孙玮,韩璞.基于手机短消息(SMS)的远程无线监控系统的研制[J].计算机测量与控制,2002(8):506-507.

[4] 张小平.GSM污染源自动连续监控系统的设计与实现[J].计算机应用研究,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

[责任编辑:蒋海龙]

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

熊树(1980-),男,江苏淮安人,讲师,硕士,研究方向为计算机控制、电力电子与电力传动.