1. 引言

无线传感器网络(wireless sensor network) [1]是一个热点的研究领域，它在环境监测、军事、医疗健康、家庭智能监控和其他商业领域[2]有着广泛的应用前景。无线传感器网络具有传感器节点密度高，网络拓扑变化频繁，以及节点的功率、计算能力和数据存储能力有限等特点。

GSM（Globe System of Mobile）网络是覆盖范围广，性能较为完善的无线网络，GSM通信网本身具有较强的数据纠错能力[3]，数据传输率较高可达9.6kbit/s能够保证数据传输的可靠性和实时性，本文提出的网络实现采用SIEMENS TC35模块作为GSM网数据传输终端。Zigbee技术是一个具有统一技术标准的短距离无线通信技术，其PHY层和MAC层协议为IEEE802.15.4协议标准[4]。Zigbee技术具有三个工作频段，本文提出的无线传感器网络工作在2.4GHz 全球通用的ISM（Industrial，Scientific and Medical）免付费频段上，划分为16个信道，在该频段上，数据传输速率为250kb/s。用Zigbee技术组成的无线传感器网络结构简单、体积小、成本低；采用GSM网络进行数据传输的TC35模块体积小、功耗低，适合作为无线传感器网络的数据节点，Zigbee技术、GSM网络数据传输与传感器技术相结合组成新兴的无线传感器网络，必将有广泛的应用前景。在本文第二节将详细介绍实现基于Zigbee的无线传感器设计，在第三节我们重点介绍用TC35模块实现的数据传输，其网络的性能和工程中需要注意的问题将利用第四节进行简单总结。

2.基于Zigbee无线传感器网络

到目前为止，Zigbee技术在国外已经在家庭网络、控制网络、手机移动终端等领域有了一定的应用，但是现有Zigbee技术构成的网络每个接入点所能接纳的传感器的节点数远远低于协议所标称的255个，为了达到传感器网络密集覆盖的目的，就必须进行复杂的组网，这不仅增加了网络的复杂性，还增加了网络整体的功耗，降低了传感器节点的寿命。本方案则基于每个传感器节点和汇节点之间通信量较小的特点，提出了一种基于需求时唤醒(Wake up On-demand )的星型网络拓扑模式，需求时唤醒的基本思想就是传感器节点在监测的环境发生变化时，传感器节点能自动醒来和汇节点进行通信并上报相关信息；否则工作于睡眠状态并采用低功率监测信道，以节约传感器节点功耗并拒绝接受非法的连接访问请求，大大降低了接入汇节点时消息碰撞的概率，极大地增加了传感器网络容量。

2.1 传感器网络的系统结构

本文提出的无线传感器网络是基于Zigbee并采用GSM进行数据通信传感器网络，它是由大量的无线传感器节点、汇节点和GSM数据传输模块组成的分布式系统，如图1所示。基于簇(Cluster)的分层结构具有天然的分布式处理能力，簇头就是分布式处理中心即本文无线传感器网络的一个汇节点，每个簇成员（传感器节点）都把数据传给簇头，数据融合后直接传给GSM数据传输。中央控制中心通过GSM网络与多个汇节点连接，汇节点和传感器节点之间通过Zigbee技术实现无线的信息交换，带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点；控制中心通过GSM网络获取采集到的相关信息，实现对现场的有效控制和管理。

2.1.1 Zigbee无线传感器节点

对于一个完整的传感器节点，需要具有小尺寸、低功耗、适应性强的特点，Zigbee设备为低功耗设备，其发射输出0dbm～3.6dbm，通信距离为30米～70米，具有能量检测和链路质量指示，根据这些检测结果，设备可自动调整设备的发射功率，在保证通信链路质量的条件下，最小地消耗设备能量，本文提出的无线传感器网络其节点在睡眠状态时，功耗电流约为30uA。在传感器网络数据通信时，Zigbee建立一次连接的时间约为20ms，这样短的连接时间可以大大减少传感器节点上报给汇节点数据碰撞的概率。在网络安全方面，无线传感器网络在Zigbee技术上，采用了密钥长度为128位的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理。

本文提出的无线传感器节点的硬件结构如图2所示，它由Zigbee模块（MC13192和MC9S08两部分所组成）、硬件检测电路和定时器组成。硬件检测电路检测传感器节点所在的环境，当环境发生变化时，触发Zigbee模块的I/O中断将信息传送给Zigbee模块，模块从睡眠状态唤醒，模块利用自身的控制芯片对信息进行处理后，再以无线的方式传送给汇节点。

2.1.2 Zigbee汇节点和GSM数据模块

分布在传感器网络中的汇节点主要用于接收传感器节点的数据上报，并将其进行融合处理，传给TC35数据模块通过GSM网络传递给中央信息控制中心。Zigbee无线传感器网络中的汇节点及其GSM数据模块其硬件模块如图3所示，它由Zigbee模块、16位微控制器MSP430、GSM数据模块TC35组成。Zigbee模块和微控制器之间的连接是通过异步串行口实现的，它们之间的通信速度为38.4kBaud，由于传感器网络中分布着多个汇节点，因此16位的微控制器要利用软件中断实现对不同ID汇节点上传数据轮询扫描，使汇节点的数据可以有序、完整地通过微控制器处理后传出。汇节点在此传感器网络中充当的是传感器节点和GSM网络之间的网关。

2.1.3 中央信息控制中心

中央信息控制中心由监控模块、配置模块、数据库三个部分组成。它通过GSM网络与多个汇节点间接连接在一起，监控模块通过对通信串口的实时监控，实现对分布式汇节点上报信息的及时接收、解析、处理以及发送控制信令给不同ID的汇节点实现对传感器节点的间接、实时性的监控和数据采集。

2.2 Zigbee汇节点和传感器节点之间基于需求时唤醒的工作模式

为了增加Zigbee无线传感器网络的容量以及解决传感器网络中一个重要的能源供给的问题，对于Zigbee传感器网络核心之一——Zigbee汇节点和传感器节点之间的通信。本网络采用了基于需求时唤醒的工作模式。这种模式可以大大节省传感器节点的功耗，减少信息上报的时的碰撞概率，延长网络的寿命。下面详细讨论一下Zigbee汇节点和传感器节点之间的通信过程，即它的初始化过程和信息处理过程。

2.2.1 Zigbee模块初始化过程

Zigbee模块进行通信之前需要进行有效的初始化，Zigbee汇节点和传感器节点之间的初始化流程如图4所示，在初始化通信过程中，汇节点主动广播连接信令， 在传感器节点成功地接收和验证一个数据帧和MAC命令帧后，向汇节点返回确认帧，传感器节点的Zigbee模块被置于Sleep工作模式，接下来汇节点与传感器节点进行主从角色转换，汇节点模块处于从模式工作状态，等候响应连接请求信令；此时传感器节点中的Zigbee模块工作在主模式下，等待着有需求时唤醒发起连接请求。在初始化结束后，传感器节点Zigbee模块工作于Sleep模式，拒绝任何的连接请求。这种设计大大降低了传感器节点的功耗；并且传感器节点只是在有需求时唤醒并主动与汇节点建立连接，从而有效地控制了其他网络中Zigbee物理射频以及其他传感器节点和汇节点的非法连接请求，保证了汇节点和传感器节点间通信的安全可靠。

2.2.2 Zigbee模块信息处理过程

信息处理过程是在传感器节点的硬件检测电路检测到其所在的环境发生变化时，由传感器节点中的Zigbee模块对信息简单处理后，主动发起连接将处理后的信息传送给汇节点，其通信流程如图5所示。由于在工程中测试结论已表明，该无线传感器网络的传感器节点99％以上的时间处于Sleep状态，只需要周期性地监聴其无线信道，判断是否有需要自己处理的数据消息，功耗的数学期望值可低至30μA。

3.GSM数据传输的实现

本文提出以GSM网络作为数据无线传输网络，是整个无线传感器网络中一个很突出的优点，采用SIEMENS公司TC35模块作为数据传输终端，可以快速、可靠地实现传感器网络中数据的传输。TC35由若干超大规模集成电路和射频器件组成，相当于一个移动台,内嵌 SIEMENS TC35 移动引擎电路模块，支持数据业务，工程中可做嵌入式应用。利用MSP430微控制器控制TC35模块完成汇节点和中央控制中心的通信。MSP430微处理器与TC35通过异步串行口相连，通过AT指令对GSM控制器进行写操作，模块支持标准AT指令，可采用SIMENS增强AT指令控制进行数据传输，在工程应用时，只需要给模块配备SIM即可,数据传输过程描述如下：

发送端：

AT＋FCLASS=0 ；设置模块为数据传输方式

ATD13********* ；呼叫接收端电话号码

CONNECT9600/RLP ；设置波特率

…… ；数据发送

＋＋＋ ；退回命令状态

ATH ；传输终止

接收端：

……. ；等待呼叫检测

ATA ；应答，设置ATS0=1为振铃后自动应答

CONNECT9600/RLP ；匹配返回的波特率

…… ；数据接收

＋＋＋ ；返回命令行

ATH ；终止传输

4.网络性能改善及结论

本无线传感器网络实现基于新兴而有潜力的Zigbee技术和较完善的GSM网络的数据传输，工程实验表明有很大的应用价值，Zigbee无线传感器网络核心模块使用的是Freescale公司的射频调制解调器MC13192和一个低电压、低功耗的MCU-HCS08。工程实现的Zigbee无线传感器网络是基于需求时唤醒的，该网络结构只允许在汇节点和传感器节点之间交换数据，即传感器节点向汇节点发送数据以及汇节点发送数据给传感器节点。在汇节点和传感器节点之间没有数据信息交换时，传感器节点处于睡眠状态，汇节点和传感器节点的Zigbee模块只进行低功耗的信道扫描，因而汇节点和传感器节点组成网络拓扑，每个汇节点能够监控的传感器节点的数目大大增加，工程中连接的传感器节点数目已经达到了64个，传感器网络仍然保持着安全稳定的性能。由于每个传感器节点与汇节点之间传输的信息很少，信息碰撞的可能性很小，此拓扑结构和需求时唤醒模式确保了信息的可靠传输。工程中需要注意的要点有：

从发射状态到接收状态转换时间以及从接收状态到发射状态转换时间都应小于aTurnaroundTime值，通常该值为12个符号时期，MC13192为288us。 为了使Zigbee传感器网络能够正常稳定地工作，要求节点都能够达到-85dBm或更高的接收灵敏度。 Zigbee模块发射机的最小发射功率为-3dBm，在保证模块能够在正常的工作条件下，每个模块的发射功率应尽可能的小。在模块的接收输入端，为保证Zigbee的正常接收，接收端的有用信号不能太大，要求接收机的最大输入电平应大于等于-20dBm。 接收机进行能量检测，检测检测的时间通常设为7～8个符号周期。 注意射频天线的形状对传输距离的影响，可设定为倒“F”型。

网络有三个显著的改善，网络采用星型拓扑和需求时唤醒Zigbee模块的通信方式，有效降低了每个Zigbee传感器节点的功耗，减少了传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率；利用GSM网络传输汇节点的数据，改变了传统无线传感器网络需要依托有线公共网络进行数据传输的限制；Zigbee技术较之对等实现技术（例如，蓝牙技术）构成的汇节点控制传感器节点的数目大大增加，多达255个。

无线传感器网络与Zigbee技术的结合有着广泛的应用前景，本文提出的Zigbee技术和GSM网络实现的低成本、低功耗的无线传感器网络的解决方案，研究实现了若干关键技术，符合IEEE1451系列标准的要求，允许不同设备之间进行互操作。工程试验结果充分显示了技术的可行性和实现的灵活性。