基于ZigBee与GPRS技术环境数据检测系统设计

潘骁，闭金杰，林斌，王勋（广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004）



基于ZigBee与GPRS技术环境数据检测系统设计

潘骁，闭金杰，林斌，王勋
（广西师范大学电子工程学院，广西桂林541004）

随着物联网云服务的快速发展，使得基于Zigbee技术的物联网应用开发的成本进一步降低.本系统基于Zigbee的无线传感器网络技术将采集到的环境参数通过GPRS网络传送到中国移动物联网云平台（OneNet）上，实现数据的实时监测与数据存储.

Zigbee；GPRS；云存储；远程监控

0引言

环境数据检测在众多领域有着广泛的应用，对于环境空间大、测试点分布离散、测试主观性强等特点，使得传统的环境监控系统存在综合布线繁杂、成本过高、效率低下等问题［1］.随着ZigBee无线传感器网络技术、GPRS技术、云服务器的发展，使得环境数据实时监测与数据共享成为可能.笔者利用GPRS技术将Zigbee网络采集到的环境（温度、湿度、可燃气体）数据每隔8 s上传至云服务器上，具有实时监测、成本低、数据共享等优点.

1系统总体方案设计

本系统由ZigBee数据采集模块、GSM/GPRS通信模块、云服务器存储及终端设备3部分组成.该检测系统的总体结构如图1所示.

图1　环境监测系统结构示意图

数据采集中有传感器节点和协调器节点.传感器节点的作用是采集并简单处理环境数据，然后将该数据传至由协调器节点，协调器节点是传感器网络中的网关设备，其处理能力、存储能力和通信能力，比传感器节点强，一般没有感知能力［2］.协调器通过串口将数据发送给GSM/GPRS通信模块，GSM/GPRS通信模块由STM32、M35四频GSM/GPRS模块等组成.GSM/GPRS模块将接收到的数据再通过GPRS网络将数据上传至云端服务器.通过一部可联网的手机、PC机登录云服务器即可实时监测采集到的数据.

2系统硬件设计

2.1节点模块设计

本设计的节点模块以TI（德州仪器公司）的CC2530芯片作为主控制芯片，还包括电源、USB、DHT11温湿度传感器、MQ-2气体烟雾传感器、SMA接口天线等部分组成.节点模块结构如图2所示.

图2　节点硬件结构图

CC2530是用于IEEE802.15.4、Zigbee、RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案.它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点.CC2530结合了领先的2.4 GHz和RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051单片机，系统内可编程闪存，8 K RAM和其他许多强大的功能［3］.

在IAR开发软件中添加Zigbee协议栈和传感器驱动函数，在开发软件的workspace子窗口中分别选择EndDeviceEB和CoordinatorEB进行编译，然后下载至节点模块就可形成传感器节点（终端节点）和协调器节点.协调器节点模块中无需接传感器.

2.2 GSM/GPRS通信模块设计

GSM/GPRS模块的数据来自协调器的串口，是系统中数据上传的核心模块，主要由STM32F103CBT6控制芯片、移远M35四频GSM/GPRS模块、SIM卡接口、RS232串口、电源等模块构成.主控制芯片STM32F103CBT6的串口1用于接收来自协调器的环境数据，串口2用于对M35四频GSM/GPRS模块指令控制.

M35是全球最小的四频GSM/GPRS模块，尺寸仅为19.9 mm×23.6 mm×2.65 mm.凭借超小尺寸、超低功耗和宽工作温度范围，M35是M2M应用的理想解决方案，适用于车载、工业级PDA、个人跟踪、无线POS、智能计量以及其它M2M的应用，为其提供完善的GSM/GPRS的语音、短信、数据传输服务［4］.

本设计中，首先将已开通GPRS服务的标准SIM卡插入模块中的SIM卡槽，然后通过STM32F103CBT6控制芯片的串口2向GSM/GPRS模块发送AT+QIOPEN=“TCP”、“183.230.40.33”、“80”指令与中国移动物联网云服务器进行连接.“TCP”为连接方式，“183.230.40.33”为云服务器的ip地址，“80”为端口号.连接成功后发送AT+QISEND指令将协调器发送过来的数据进行上传，数据上传格式如下：

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”为云服务器中的设备ID，“api-key”为数据流所关联的，“HOST”为服务器域名，“Content-Length”为发送的数据流字符长度，“Temp”为数据流名称，“data”为所上传的具体的参数的数值.设备ID、api-key名称在注册云服务器时由服务器分配，数据流名称可自己定义.数据流上传完成后以发送十六进制数据0x1a表示结束一次上传.

GSM/GPRS通信模块及数据上传流程图分别如图3和图4所示.

图3　 GSM/GPRS通信模块结构图

图4　 GSM/GPRS通信模块数据上传流程图

2.3云服务器设计

国内最大的电信运营商，中国移动在2014年11月正式发布物联网开放平台——OneNet（open.iot. 10086.cn）.OneNet平台作为连接和数据的中心，能适应各种传感网络和通信网络，将面向智能家居、可穿戴设备、车联网、移动健康、智能创客等多个领域开放.

利用中国移动的物联网开放平台——OneNet申请免费个人云服务，创建项目，在项目中添加设备，获取设备ID和API-Key并设置连接方式及设备权限，然后添加数据流及关联应用.本系统创建项目后的设备情况如图5所示.

图5　服务器设备概况

图6　系统实物图

3系统测试

为了方便测试，系统使用了2个终端节点，1个协调器节点板.将写好的终端程序和协调器程序下载至对应的节点板中.再编写GSM/GPRS通信模块控制程序下载至STM32F103CBT6芯片中，进行系统调试.系统实物如图6所示，登录设备监控地址http://open.iot.10086.cn/appview/p/6bf865798bd4d9b6c307be75d3fe12b查看检测结果，如图7所示.

系统结合了ZigBee技术与GPRS技术，利用Zigbee无线传感器网络技术将传感器采集到的环境数据发送到协调器，再由GSM/GPRS模块和协调器进行串口通信，将收到的数据通过GPRS网络上传到云服务器，从而实现实时监测.同时，在本系统上稍加改进可实现云服务器端对终端节点进行反向控制.ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802.15.4的推动下，结合其他无线技术，比如GPRS、EDGE、TDSCDMA，可以实现无所不在的网络应用［5］.

图7　监控主界面图

［1］刘青，宫强.基于CC2530的ZigBee温室智能无线传感网络设计［J］.绵阳师范学院学报，2015，34（2）：25-29.

［2］蒋吉娟，苗凤娟，惠鹏飞.基于物联网的敬老院环境监测系统的设计［J］.齐齐哈尔大学学报，2015，31（4）：32-33.

［3］姜仲，刘丹.Zigbee技术与实训教程——基于CC2530的无线传感网络技术［M］.北京：清华大学出版社，2014.

［4］上海移远通信技术有限公司.M35_GSM_产品规格说明书［Z］.2011-12-29.

［5］张晓晖.融合ZigBee无线技术的GPRS网络及应用［J］.通信与信息技术，2008，（6）：65-67.

（责任编辑李健飞）

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

潘骁（1989-），男，安徽合肥人，硕士研究生，主要从事无线传感器网络技术研究.