1. 引言

　　無線傳感器網絡(wireless sensor network) [1]是一個熱點的研究領域，它在環境監測、軍事、醫療健康、家庭智能監控和其他商業領域[2]有著廣泛的應用前景。無線傳感器網絡具有傳感器節點密度高，網絡拓撲變化頻繁，以及節點的功率、計算能力和數據存儲能力有限等特點。

GSM（Globe System of Mobile）網絡是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網絡，GSM通信網本身具有較強的數據糾錯能力[3]，數據傳輸率較高可達9.6kbit/s能夠保證數據傳輸的可靠性和實時性，本文提出的網絡實現采用SIEMENS TC35模塊作為GSM網數據傳輸終端。Zigbee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議為IEEE802.15.4協議標準[4]。Zigbee技術具有三個工作頻段，本文提出的無線傳感器網絡工作在2.4GHz 全球通用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）免付費頻段上，劃分為16個信道，在該頻段上，數據傳輸速率為250kb/s。用Zigbee技術組成的無線傳感器網絡結構簡單、體積小、成本低；采用GSM網絡進行數據傳輸的TC35模塊體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網絡的數據節點，Zigbee技術、GSM網絡數據傳輸與傳感器技術相結合組成新興的無線傳感器網絡，必將有廣泛的應用前景。

　　2．基于Zigbee無線傳感器網絡

　　到目前為止，Zigbee技術在國外已經在家庭網絡、控制網絡、手機移動終端等領域有了一定的應用，但是現有Zigbee技術構成的網絡每個接入點所能接納的傳感器的節點數遠遠低于協議所標稱的255個，為了達到傳感器網絡密集覆蓋的目的，就必須進行復雜的組網，這不僅增加了網絡的復雜性，還增加了網絡整體的功耗，降低了傳感器節點的壽命。本方案則基于每個傳感器節點和匯節點之間通信量較小的特點，提出了一種基于需求時喚醒(Wake up On-demand )的星型網絡拓撲模式，需求時喚醒的基本思想就是傳感器節點在監測的環境發生變化時，傳感器節點能自動醒來和匯節點進行通信并上報相關信息；否則工作于睡眠狀態并采用低功率監測信道，以節約傳感器節點功耗并拒絕接受非法的連接訪問請求，大大降低了接入匯節點時消息碰撞的概率，極大地增加了傳感器網絡容量。

　　2．1 傳感器網絡的系統結構

　　本文提出的無線傳感器網絡是基于Zigbee并采用GSM進行數據通信傳感器網絡，它是由大量的無線傳感器節點、匯節點和GSM數據傳輸模塊組成的分布式系統，如圖1所示。基于簇(Cluster)的分層結構具有天然的分布式處理能力，簇頭就是分布式處理中心即本文無線傳感器網絡的一個匯節點，每個簇成員（傳感器節點）都把數據傳給簇頭，數據融合后直接傳給GSM數據傳輸。中央控制中心通過GSM網絡與多個匯節點連接，匯節點和傳感器節點之間通過Zigbee技術實現無線的信息交換，帶有射頻收發器的無線傳感器節點負責對數據的感知和處理并傳送給匯節點；控制中心通過GSM網絡獲取采集到的相關信息，實現對現場的有效控制和管理。

　　2．1．1 Zigbee無線傳感器節點

　　對于一個完整的傳感器節點，需要具有小尺寸、低功耗、適應性強的特點，Zigbee設備為低功耗設備，其發射輸出0dbm～3.6dbm，通信距離為30米～70米，具有能量檢測和鏈路質量指示，根據這些檢測結果，設備可自動調整設備的發射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設備能量，本文提出的無線傳感器網絡其節點在睡眠狀態時，功耗電流約為30uA。在傳感器網絡數據通信時，Zigbee建立一次連接的時間約為20ms，這樣短的連接時間可以大大減少傳感器節點上報給匯節點數據碰撞的概率。在網絡安全方面，無線傳感器網絡在Zigbee技術上，采用了密鑰長度為128位的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理。

　　本文提出的無線傳感器節點的硬件結構由Zigbee模塊（MC13192和MC9S08兩部分所組成）、硬件檢測電路和定時器組成。硬件檢測電路檢測傳感器節點所在的環境，當環境發生變化時，觸發Zigbee模塊的I/O中斷將信息傳送給Zigbee模塊，模塊從睡眠狀態喚醒，模塊利用自身的控制芯片對信息進行處理后，再以無線的方式傳送給匯節點。

　　2．1．2 Zigbee匯節點和GSM數據模塊

　　分布在傳感器網絡中的匯節點主要用于接收傳感器節點的數據上報，并將其進行融合處理，傳給TC35數據模塊通過GSM網絡傳遞給中央信息控制中心。Zigbee無線傳感器網絡中的匯節點及其GSM數據模塊其硬件模塊如圖3所示，它由Zigbee模塊、16位微控制器MSP430、GSM數據模塊TC35組成。Zigbee模塊和微控制器之間的連接是通過異步串行口實現的，它們之間的通信速度為38.4kBaud，由于傳感器網絡中分布著多個匯節點，因此16位的微控制器要利用軟件中斷實現對不同ID匯節點上傳數據輪詢掃描，使匯節點的數據可以有序、完整地通過微控制器處理后傳出。匯節點在此傳感器網絡中充當的是傳感器節點和GSM網絡之間的網關。

　　2．1．3 中央信息控制中心

　　中央信息控制中心由監控模塊、配置模塊、數據庫三個部分組成。它通過GSM網絡與多個匯節點間接連接在一起，監控模塊通過對通信串口的實時監控，實現對分布式匯節點上報信息的及時接收、解析、處理以及發送控制信令給不同ID的匯節點實現對傳感器節點的間接、實時性的監控和數據采集。

　　2．2 Zigbee匯節點和傳感器節點之間基于需求時喚醒的工作模式

　　為了增加Zigbee無線傳感器網絡的容量以及解決傳感器網絡中一個重要的能源供給的問題，對于Zigbee傳感器網絡核心之一——Zigbee匯節點和傳感器節點之間的通信。本網絡采用了基于需求時喚醒的工作模式。這種模式可以大大節省傳感器節點的功耗，減少信息上報的時的碰撞概率，延長網絡的壽命。下面詳細討論一下Zigbee匯節點和傳感器節點之間的通信過程，即它的初始化過程和信息處理過程。

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