低功耗的通信技术分析

2.4 通信技术分析

      由于本文所提出的智能温室监控系统需要通过协调节点和主节点进行短距离通信完成环境参数的数据传输工作，并通过对数据进行分析后，通过主节点和用户进行远距离通信对执行机构进行控制，从而对温室内环境参数进行调节。下面将对常用的近距离以及远距离通信技术进行详细的分析与对比。

      目前市场上短距离无线通信产品广泛应用的是蓝牙(Bluetooth)、无线局域网（Wi-Fi），Zigbee，常用短距离无线网络的性能参数如表2-1所示。

表2-1 常用的短距离无线网络技术比较

	ZigBee	蓝牙（bluetooth）	wifi
成本	30元	10-30元	100元
安全性	中	高	低
功耗	25mA	20m A	10~50mA
传输速度	10Kbps~250Kbps	1Mbps	54Mbps
通信距离	100m	10m	100m
频段	2.4GHz 866MHz(欧洲) 915MH( 美国)	2.4GHz	2.4GHz
国际标准	IEEE 802.15.4	IEEE 802.15.1x	IEEE 802.11b IEEE 802.11g

 

     以上几种无线通信有各自的优势，适用于不同的应用场合。蓝牙技术的通讯距离短，抗干扰能力一般，传输速度一般，适用于近距离数据交换。Wi-Fi有效传输距离相对远并且速度稳定，但安全性差，常用于无线上网。Zigbee的信号频段有三种，我国目前采用的是2.4GHz频段。其具有自组织能力强，低功耗，低成本，通信距离短，可配置节点多等特点，适用于大批量的采集数据参数的无线传输。

 

表2-2 常用的远距离无线网络技术比较

	GPRS	数传电台	扩频微波
优点	网络利用率高 可以与因特网互联	区域性覆盖	抗干扰能力强
功耗	较小	较大	较大
模块大小	小	较大	较大

 

      以上的表2-2，远距离无线网络技术的，GPRS技术的利用率高，模块集成度高，可以与互联网连接，数传电台与扩频微波虽然性能强，但是功耗太大不适用于低功耗设计。

      综合分析后我们选择ZigBee做近距离通信，GPRS模块做远距离通信，通过这两个通讯模块的加入，可以满足本文的温室监控系统的数据传输需求。

下面将对本设计所采用的两种通信方式进行详细介绍。

 

 

2.4.1 ZigBee无线通信技术

由于本文所提出的智能温室监控系统需要采用短距离通信完成数据的传输工作，经比较后，选用ZigBee网络作为本文所提出的温室监控系统设计方案的短距离通信技术支撑。

考虑到常用的有线通信技术在采用的过程中存在可操作性低以及消耗较大的问题，因此本次设计选用了无线通信技术来满足温室监控系统的远程操控的功能需求。而在现有的无线通信技术中，ZigBee 以其消耗低、可操作性强，加之其安全性能较高的特点脱颖而出，进而被广泛采用。故，本次设计选用ZigBee 作为短距离通信的技术支撑，进而完成无线传感网络监控系统的组建工作。许多终端节点、路由器节点以及一个协调器节点存在于 ZigBee 无线传感网络中，这些节点位置及功能各异。以终端节点为例进行说明，该节点的主要功能是采集温室内各类环境参数数据，并且接收控制系统发出的控制命令。而路由节点则充当中转站的角色，其主要功能是协助其他节点，完成节点间的数据传输工作，进而使得网络的范围得以拓宽。对于协调器节点而言，该节点仅有一个，其功能也十分重要，作为整个系统的核心，在进行数据的传输时，也承担着网络开启的任务。

图2-1 星型拓扑

 

ZigBee网络技术共计有三种拓扑进行结构，三种结构功能各异，其中的星型拓扑结构的主要优势是连接方便，不需要路由节点的参与，但需要终端节点以及协调器节点的参与。由于本文需要路由节点，所以不采用此方案。如图 2-1 所示即为其结构图。

 

 

 

图2-2 树形型拓扑图

 

 

      树型结构是ZigBee无线传感网络的另外一种拓扑结构，它由一个协调器节点以及许多星型结构网络连接而成。在树型拓扑结构中通信功能由终端节点和协调器节点协同完成，也能够跟路由节点连接。树形结构网络具有覆盖范围较大的特点，如图 2-2 所示即为其结构图。

 

 

 

图2-3 网型拓扑图

 

      网型拓扑结构是ZigBee无线传感网络的最后一种拓扑结构，在这种拓扑结构中最优通信路径的选择可由终端节点实现，不会出现因少数路由器的损坏而出现无法通信的情况，适用于要求可靠性高或者节点动态变化的领域。图 2-3所示即为其网络拓扑的结构图。

      综合以上对于ZigBee网络常用的三种拓扑结构的综合性分析，考虑到树型结构相较于其他两种结构更适用于本次的设计方案，其主要体现在树型结构具有的网络覆盖区域以及拓扑难度程度更适合于温室监控系统的建立的优势，因此选用树型结构网络作为 ZigBee 网络拓扑。本次所提出的设计方案选用选用CC2530 芯片作为主控制器。CC2530 是一种被普遍使用的ZigBee片上系统，其集成单片机、ADC、无线通信模块于一体，无线通信模块和单片机相结合的可靠性得到大幅度提升，具体的硬件模块设计会在第三章进行详细阐述。

2.4.2 GPRS移动通信技术

      GPRS技术位于二、三代移动通信技术之间，是基于GSM系统发展而来的。相比于GSM网络只可以进行电路的交换，性能更优越的GPRS利用添加相应实体并改造现有基站设施来完成分组交换，这样一来不仅数据传输速率没有降低，各项的投入也没有增加，并且GPRS 技术对转换器没有特别的要求，其连接也是相对方便快捷的。本文所提出的温室监控系统的设计方案引入GPRS模块来完成温室环境的远程监测，其拥有远程传送数据的能力，只需要在有网络的地方，用户便能够远程控制监测区域，完成远距离操作。现如今，通信技术具有良好的发展趋势，进而GPRS网络的覆盖面也随之拓宽了，加上其便于安装，通信费用逐步下调，使得此项技术逐渐被大众接受，由于该技术具有信号覆盖面广、使用成本低的优势，更加贴合本文所提出的温室环境远程监测系统的设计需求。

      此模块开始工作时首先会通过接口从mcu系统取得数据。处理后把温湿度与光照数据发送到基站。分组数据经封装后通过通信网络与网关支持接点进行通信。经过一系列的处理再发送到目的网络。