基于ZigBee的无线温湿度监测系统与GPRS融合组网研究

都 鑫，张 洁，吴晓飞，张国华

基于ZigBee的无线温湿度监测系统与GPRS融合组网研究

都 鑫1，张 洁2，吴晓飞1，张国华1

（1.河北机电职业技术学院，河北 邢台 054000； 2.邢台职业技术学院，河北 邢台 054035）

通过研究ZigBee技术的组网原理，利用智能数字传感器的优点和GPRS通信技术的方便可靠性，将无线数据采集网络和远程信息通讯网络结合起来，构建一个远程无线传感器网络的智能化硬件平台，实现对各种环境的温湿度参数进行及时准确监测。

ZigBee；GPRS；温湿度监测

众所周知，温湿度影响着我们的生产生活，尤其是合适的温湿度在农业种植、物资储存、工业生产、医疗卫生等领域起着不可或缺的作用。当前的温湿度监测系统普遍具有系统功能单一、传输布网繁琐、通信距离过近、易受外界因素影响等各种缺点。本研究将ZigBee技术与GPRS技术进行有机融合，致力于开发出一种高效可靠的新型温湿度监测系统。

一、新技术优势

ZigBee技术具有能耗低、预算少、安全性高等显著优点，已经成为环境监测领域中设备组网最适合的技术。基于ZigBee技术的无线温湿度传感器网络能满足自动控制和远程控制的需要，其最多可容纳6万多个数据传输模块。同时，ZigBee技术可以极大的扩展温湿度参数采集区域，并可以避免以往监测系统中的设备联网繁杂、检修成本高等问题。

GPRS技术在数据传输方面具有数据传送速率高、系统传输容量大、通信实时性强、良好的可扩展性、可对设备进行远程控制等优点，同时其监控范围广、建设投入小、通信费用低。

二、系统结构

系统结构示意图如图1。

图1 系统结构示意图

三、方案设计

1.温湿度参数采集模块设计

温湿度传感器选择的是Sensirion公司生产的SHT11，它采用工业COMS 过程微加工技术，保证芯片能长时间稳定工作，片外电路综合结构简单、运算速度快。

SHT11温湿度测量步骤为：通过温度、湿度传感器分别得到相应的温湿度数据；放大后，送至A/D转换器进行相应处理；通过数字2线串口将温度及相对湿度的数据送至MCU；通过MCU完成相对湿度的温度补偿和温湿度的非线性补偿。

SHT11供电电压一般为2.4V～5.5V，其串行接口主要包括双向串行数据线（DATA）和单向输入串行时钟线（SCK），为了保证工作精度，接口电路加入上拉电阻RP和VDD与GND之间的去耦电容C。

2.ZigBee无线数据传输模块设计

基于SOC解决方案，ZigBee模块选择TI公司生产的CC2530芯片完成数据处理和无线传输的任务。CC2530是TI公司推出的第二代用于2.4GHz频段，支持IEEE 802.15.4标准/ ZigBee RF4CE协议的SOC芯片，它将微处理器与无线收发模块完美的结合在一起，体积更小、功能更强大。

CC2530外接电路如图2所示，其中外接电路的射频部分选取的是不平衡天线，所以采用巴比伦的阻抗匹配电路来优化性能，同时射频结构满足匹配电阻（50欧）的要求。

图2 CC2530外接电路

ZigBee无线传感器网络的工作内容为：ZigBee网络协调器负责组建一个信息传输平台，进行网络的日常管理和维护；传感器终端节点负责将测量到的温湿度参数信息经由路由器发送至协调器，然后经GPRS网络转发给监控中心；远程监控中心将控制信号经由协调器依次向下传递，直至相应的终端节点[1]；路由器在网络中的作用是完成协调器和终端节点之间的数据转发功能，延长数据传输距离。

3.ZigBee与GPRS网关模块设计

GPRS技术由GSM技术发展而来，数据在传输过程中遵循TCP/IP协议，并能方便地接入互联网。一般而言，对于ZigBee无线传感器网络中的ZigBee协调器有以下方式可以与远程监控中心进行通信：其一是通过光纤等网络宽带直接连接；其二是选择移动通信网络连接Internet 网络。本文设计的基于CC2530芯片的ZigBee协调器是通过移动网络接入互联网的，这就要求必须对ZigBee与GPRS融合组网的网关进行妥善的设计，从而完成ZigBee网络协议与TCP/IP协议的无缝对接与自由转换，达到互联通信的目的。

本文设计的ZigBee与GPRS网关由三部分组成：ZigBee网络协调器模块、GPRS通信模块以及电平转换芯片。网关结构如图3所示。

图3 网关结构

GPRS通信模块选用华为公司推出的GTM900C模块，它工作温度范围是-20℃～+70℃，电源电压区间为3.3V～4.8V（推荐电压3.8V），接收灵敏度小于-106dBm，最大发射功率双频EGSM900/GT800 Class4是2W、单频GSM1800 Class1是1W。GTM900C内嵌TCP/IP因特网互联协议，提供ACK（确认字符）应答，提供大容量缓存电路型数据业务，支持多链接[2]，支持CSD（电路交换数据业务），支持传真，支持USSD（非结构化补充数据业务）。

电平转换芯片选用MAXIM公司设计的单电源MAX3232芯片，单一供电电压＋5V，供电电流5mA，功耗比较低，适用于RS-232标准串口通信。MAX3232芯片内部分别集成两个RS-232C驱动器和两个RS-232C接收器，同时符合所有RS-232C技术标准，片载电荷泵既能升压，又可以反转电压极性，能够生成＋10V至－10V范围的电压，整个芯片集成度很高，只要有4个外接电容芯片就可以使用。

本设计中ZigBee网络协调器与GPRS模块之间的数据通信是通过串行通信接口来完成的，该串口符合RS-232通信标准。为了进行正常的通信，两者间的接口电平需要进行匹配，因此选择MAX3232电平转换芯片实现电平转换。转换电路选用的是9针串口母头，对于GPRS模块来说方便连接；同时，MAX3232芯片的T2IN、R2OUT引脚分别与CC2530芯片的P0.5、P0.4引脚相连接。电平转换电路如图4所示。

图4 电平转换电路

在电平转换电路中，MAX3232芯片的电源有可能通过串口电平转换芯片工作产生的信号，影响GTM900C模块内部的VDD信号（升高或降低），从而导致GPRS模块无法正常工作，所以选用电平隔离电路SN74LV245来避免这种情况的发生。在SIM卡电路设计中，为保证SIM卡信号线中的信号工作可靠，需要做两方面工作：①SIM-GND信号必须进行接地处理；②其他相关信号线要加上去耦电容，用来减少杂波和噪声的干扰。

[1]蔡文晶.基于ZigBee技术的无线数据采集系统[D].杭州：杭州电子科技大学，2011.

[2]范烨.基于GPRS网络的水文信息采集系统开发[D].杭州：浙江工业大学，2014.

On the Networking Combining Wireless Temperature and Humidity Monitoring System Based on ZigBee with GPRS

DU Xin1，ZHANG Jie2，WU Xiao-fei1，ZHANG Guo-hua1

(1.Hebei Electromechanical Vocational and Technical College, Xingtai 054048, China; 2. Xingtai Polytechnic College, Xingtai, Hebei 054035, China)

By studying the networking principle of ZigBee technology, this paper uses the advantages of smart digital sensors and the convenience and reliability of GPRS communication technology, combines a wireless data acquisition network with a remote information communication network, and builds an intelligent hardware platform for a remote wireless sensor network to accurately monitor the temperature and humidity parameters in various environments.

ZigBee，GPRS，temperature and humidity monitoring

1008—6129（2018）01—0052—04

2018—01—31

2017年度河北省高等学校科学技术研究项目——“基于ZigBee的无线温湿度监测系统与GPRS融合组网研究”，项目编号：Z2017128。

都鑫（1981—），河北邢台人，河北机电职业技术学院，讲师。