基于GSM与ZigBee的环境监测与采集系统

戴 建，史志才，吴 飞，王昌志，江 凤

（上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海201620）

从工业控制到农业生产，从办公场所到日常家居，环境监测与采集都发挥重要的作用。而对于大多数的检测场所，面积一般在几十到上百平方米。如果采用传统的布线方式，不仅系统的硬件成本很高，而且会影响到环境的美观[1]。

ZigBee是近些年新兴的一种短距离双向无线通信技术。相比于蓝牙、WiFi和RFID等技术，Zig-Bee具有功耗低、成本低、时延短、可靠性高、组网方式灵活等特点[2-3]，其应用领域和范围也不断扩大。GSM是一种当前极为广泛的移动通讯标准，具有网络覆盖率高、传输特性好的优势[4]，是采集数据良好的无线传输方式。将GSM技术与ZigBee技术相结合可以充分利用这两者的优势，具有很高的应用价值和应用前景。

1 系统总体设计

系统主要由移动设备、控制器和多个传感器终端组成，其结构框图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Structure diagram of system

系统控制器主要由STM32处理器、LCD触摸屏、存储器、ZigBee协调器和GSM模块等组成，是系统的核心模块。其中，STM32处理器主要负责与LCD触摸屏、存储器、ZigBee协调器、GSM模块等进行数据交换，并对数据进行处理。LCD触摸屏既能够显示系统的状态和数据，又能够通过其图形化界面实现系统参数的设定。系统记录的数据和重要参数，如密码、移动号码、报警极限值等都储存在存储器中。控制器通过ZigBee协调器构建感知数据的传输通道，接收来自传感器终端的感知数据。ZigBee协调器可通过串口1将接收到的数据上传到STM32处理器进行处理。同时，ZigBee协调器也可将来自STM32控制器的数据发送到传感器终端。GSM模块构建了系统控制器与移动通讯设备之间的数据传输通道，实现了数据的远程传输，在系统中主要通过短信的形式实现。GSM模块既可以通过串口2与STM32控制器进行数据交换，又可以通过GSM网络与移动设备进行通信。

传感器终端包含多个ZigBee节点和传感器，主要功能是环境数据的感知与采集，并通过ZigBee网络将数据发送到ZigBee协调器。同时，ZigBee节点可以接收来自ZigBee协调器模块的命令。在接收到命令后，ZigBee终端模块将做出数据更新等操作。

2 系统硬件设计

通过模块化的设计方法，将系统硬件划分为控制器模块、ZigBee模块、GSM模块和传感器模块。

图2 控制器模块电路图Fig.2 Circuit diagram of control module

2.1 控制器模块设计

如图2所示，控制器模块由STM32芯片及其外围电路、LCD触摸屏、存储器组成。STM32是由意法半导体公司生产的基于ARM Cortex-M3体系的微控制器。STM32系列微控制器的突出优点就是内部高度集成，且提供高质量的固件库，方便开发[5]。将LCD触摸屏单元的T_PEN输出与微控制器的PC1引脚直接相连，当有触摸操作时，微控制器将会通过中断响应该操作，提高了系统的响应速度和工作效率。模块共有2个存储器，W25X16用来存储汉字库及字符库，24C16用来存储系统的密码、限值等工作参数。

2.2 ZigBee模块设计

ZigBee模块包括ZigBee协调器和ZigBee节点两部分。ZigBee协调器通过串口与STM32处理器相连，以星型网络方式构建ZigBee传输通道[6]。传感器终端通过ZigBee节点接入该通道，与ZigBee协调器进行数据传输。

如图3所示，ZigBee模块由CC2530芯片和外围电路组成。CC2530是一款由TI公司生产的基于IEEE802.15.4协议的无线收发芯片。CC2530内部集成了增强型8051控制内核，结合TI公司开发的ZigBee协议栈，用户可以很好地开发应用程序。CC2530具有多种模式，具有模式间切换时间短、功耗低、传输稳定可靠等特点[7]。ZigBee协调器与Zig-Bee节点在硬件设计上基本一致，不同点在于Zig-Bee协调器的对外接口只有串口线，而ZigBee节点的对外接口很多，以便接入传感器终端底座。

图3 ZigBee模块原理图Fig.3 Circuit diagram of ZigBee module

2.3 传感器终端设计

传感器终端由ZigBee节点、底座和传感器组成。为了便于系统功能的拓展，所有传感器终端均采用相同的底座设计。底座上预留2种接口，一种接入ZigBee节点，一种接入传感器。此外，底座上设计有数个拨码开关，通过拨码开关的设置可以设定终端的功能和传感器的种类。根据应用场合的变化，传感器可以是温度传感器、湿度传感器、可燃气体传感器和烟雾传感器等。

2.4 GSM模块设计

GSM模块在硬件上采用的是SIM900A单元。SIM900A是一款由SIMCOM公司专为中国和印度市场设计的2频GSM/GPRS模块。SIM900A采用标准AT命令接口，可以向用户提供GSM语音、短消息等多种业务，具有多模式、多接口等特点[8]。同时，SIM900A内嵌的TCP/IP协议和扩展的TCP/IP AT命令使得通信变得更加简便和可靠。在短信传输时，SIM900A 具有 MT、MO、CB、Text和 PDU 等多种模式，使用SIM卡作为数据存储器。该系统正是通过短信对温湿度进行有效地监测，SIM900A模块功能框图如图4所示。

图4 SIM900A模块功能框图Fig.4 Functional diagram of SIM900A module

3 系统软件设计

系统软件主要包括STM32控制器程序、ZigBee协调器程序和传感器终端程序。其中ZigBee协调器主要完成数据传输的中转作用，并不需要对数据进行进一步的加工或处理，所以在文中没有作详细介绍。

图5 控制器程序流程图Fig.5 Flow chart of controller

3.1 STM32控制器程序设计

STM32控制器程序实现与ZigBee协调器模块和GSM模块的数据交换、数据的处理与显示，以及对触摸屏输入命令的识别与处理等。为了实现数据的及时有效处理，主程序中通过轮询的方式检测GSM模块是否有新的命令。首先，控制器通过串口2向GSM发出查询指令，GSM模块在收到命令后会将最新收到的数据发回给控制器，控制器将会根据收到的数据做出相应的判断和操作，其程序流程图如图5所示。控制器通过串口1接收Zig-Bee协调器上传的数据。当接收数据正常时，系统会显示和记录数据。当接收数据异常时，系统将会自动向设定的手机号发送提示短信，串口2中断执行流程如图6所示。控制器可通过触摸屏中断实现对系统参数（如目标号码、安全参数范围等）进行设定。当有指令输入时，触摸屏激活外部中断1，系统通过读取触摸屏信息对指令进行识别并加以处理。

图6 串口1执行流程图Fig.6 Flow chart of serial port 1

3.2 传感器终端程序设计

传感器种类较多，为了实现传感器终端的统一设计，采用模块化的方法进行设计。即将所有传感器的数据采集方法都在程序中实现，终端通过读取拨码开关数值判断传感器的类型，再执行该传感器数据的采集方式。传感器终端的程序流程如图7所示。

图7 传感器终端程序流程图Fig.7 Flow chart of sensor terminal program

为了便于数据的识别和处理，传感器终端与ZigBee协调器之间采用统一的数据传输格式，即：

起始符+8位终端编号+8位感知数据类型号+16位感知数据+结束符。

根据实际需要，设定采样周期为5 s，即每5 s传感器终端将对环境数据进行一次采样并将数据上传到控制器。同时，如果ZigBee终端接收到控制器发出的指令后，将会做出相应的操作。

3.3 GSM数据传输格式

系统主要以短信的方式进行远程数据传输。短信的收发方式有3种，分别是Block方式、Text方式和PDU方式。在国内，目前只支持PDU方式进行传输[9]。在PDU方式下，短信又可以采用3种编码方式，分别是7 bit编码、8 bit编码和UCS2编码[10]。其中，7 bit编码用于收发普通ASCLL字符，8 bit编码用于收发数据消息，USC2编码用于收发Unicode字符。鉴于此，及从人性化的角度出发，系统采用了USC2编码。

当有短信发送时，系统报告的内容主要有数据类型、数据大小和安全指标。例如：“温度20℃，舒适”。接收数据则主要是通过关键字的查找来进行判断。例如接收到的短信为“查询温度”时，系统首先识别关键字“查询”，然后识别关键字“温度”，综合判断就可以知道该短信的命令是要求查询当前的温度值。

4 结语

介绍了一种通过GSM和ZigBee构建室内环境监测与采集的设计方法与过程。通过该系统能够很好地对室内环境进行远程监测与采集。实践证明该系统测量准确、稳定性好，能够在家居、农业、工业等领域应用和推广。

[1]陆梦来.基于ZigBee的智能家居网关的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2013.

[2]邹恩，霍庆，黄浩扬，等.基于GSM网络的远程遥控空气开关系统[J].自动化与仪表，2014，29（6）：27-30.

[3]闫伟，郝卫东，陈志丹，等.基于ZigBee技术的智能家居系统研究与设计[J].微型机与应用，2014，33（16）：45-46.

[4]李阳辉.基于STM32和GSM的温度远程监控系统设计[J].自动化与仪器仪表，2015（1）：56-59.

[5]陈启军，余有灵，张伟，等.嵌入式系统及其应用[M].上海：同济大学出版社，2011.

[6]张文梅.基于ZigBee的智能家居监控系统设计[J].计算机应用与软件，2015，32（3）：313-316.

[7]王龙山，马珺.基于物联网的家居综合监测系统[J].电子技术应用，2013，39（2）：78-81.

[8]吴昌东，袁红兵，戴俊源.基于STM32与GSM的汽车报警系统设计[J].机械制造与自动化，2014，43（4）：202-205.

[9]翟顺，王卫红，张衎，等.基于SIM900A的物联网短信报警系统[J].现代电子技术，2012，35（5）：86-89.

[10]陈亮，李汪洋，吴国樟，等.基于SMS远程监控系统[J].计算机科学，2011，38（10A）：421-422.