基于ZigBee協(xié)議的無線通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

引 言

ZigBee 技術(shù)是一種短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制協(xié)議， 其工作頻率為 2.4 GHz，主要用于短距離傳輸控制信息的無線控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)量比較小，適合電池供電系統(tǒng)，ZigBee 協(xié)議是一種低成本傳輸手段。

本文旨在完成基于ZigBee 協(xié)議的無線通信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。主要分為硬件電路的設(shè)計(jì)和 ZigBee、GPRS 網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)特點(diǎn)如下：

(1) 利用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域監(jiān)測(cè)， 解決現(xiàn)場布線容易老化等問題，提高監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性和可維護(hù)性。

(2) 通過 GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的無線連接， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控和無線在線更新，可大量節(jié)省人力和物力資源。

(3) 該網(wǎng)關(guān)具有普遍適用性，可用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、橋梁安全監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)控、光伏發(fā)電等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用電站監(jiān)控系統(tǒng)等，在監(jiān)控領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

(4) 如果將系統(tǒng)終端采集節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)傳感器的類型和監(jiān)控內(nèi)容相統(tǒng)一，就可以完成不同領(lǐng)域的監(jiān)控內(nèi)容，因此該解決方案是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中一個(gè)非常重要的技術(shù)問題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

無線通信網(wǎng)關(guān)主要通過串口網(wǎng)絡(luò)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信號(hào)，采集數(shù)據(jù)的 ZigBee 模塊的信號(hào)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)模塊的無線接口與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心連接。圖 1 所示為該無線通信網(wǎng)關(guān)的總體設(shè)計(jì)框圖。

基于ZigBee 協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，需要有相關(guān)的硬件和軟件，硬件采用德州儀器公司生產(chǎn)的完全支持ZigBee 協(xié)議的CC2530 芯片，該芯片附帶相應(yīng)的開發(fā)包，還有相應(yīng)的關(guān)聯(lián)Z-Stack 協(xié)議棧。系統(tǒng)采用CC2530 芯片作為核心芯片，設(shè)計(jì)了一個(gè)ZigBee/GPRS 網(wǎng)關(guān)。作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)和公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了很好的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了信息的有效傳輸。網(wǎng)關(guān)組件如下：

(1) CC2530作為ZigBee的微處理器為系統(tǒng)提供控制器( 增強(qiáng)型C8051) 和 ZigBee射頻模塊 (2.4GHz)，同時(shí)控制其他外設(shè)和網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；

(2) SIM300/GPRS通訊模塊通過串口與CC2530相連， 用于網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程PC機(jī)的數(shù)據(jù)通訊；

(3) 外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘和 E2PROM存儲(chǔ)器通過I2C總線與CC2530 相連，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)定時(shí)和一些實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；

(4) 串行通訊模塊與終端采集節(jié)點(diǎn)通過無線鏈路相連接， 實(shí)現(xiàn)前端監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)的傳輸；

(5) 人機(jī)界面模塊由LCD和按鍵組成，主要用于數(shù)據(jù)的現(xiàn)場查看和維護(hù)檢修。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2530開發(fā)板硬件資源概述

CC2530 單片機(jī)是一款完全兼容 8051 內(nèi)核， 同時(shí)支持IEEE802.15.4 協(xié)議的無線射頻單片機(jī)。擁有 256 KB 的Flash， 可實(shí)現(xiàn) ZigBee 協(xié)調(diào)器、路由器和子節(jié)點(diǎn)的功能。核心板主要包括 CC2530 單片機(jī)、天線接口、晶振、ADC 接口、RS 232 接口、I/O擴(kuò)展接口、對(duì)應(yīng)液晶板等。

（1）電源接口：實(shí)現(xiàn)開發(fā)板供電，CC2530單片機(jī)正常工作需要的電壓范圍為23.6V 。

（8）對(duì)應(yīng)液晶板 ：提供了一個(gè) 12864 點(diǎn)陣液晶模塊，該模塊帶有漢字字庫，便于數(shù)據(jù)顯示。

2.2 GPRS模塊選型及電路設(shè)計(jì)

SIM300 模塊是SIMCOM 公司開發(fā)的一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式 TCP/IP 協(xié)議棧。用于短信、語音、高速信息數(shù)據(jù)的傳輸。傳真模塊自動(dòng)上電后，連接到GPRS 網(wǎng)絡(luò)，建立與數(shù)據(jù)中心的通信鏈路，遠(yuǎn)端用戶設(shè)備隨時(shí)與控制中心收發(fā)數(shù)據(jù)。該用戶設(shè)備的遠(yuǎn)程站點(diǎn)狀態(tài)信息通過發(fā)送命令發(fā)送給單片機(jī)控制。SIM300模塊和CC2530 連接方式如圖 2 所示。說明如下：

(1) 串口1端口有 7根線（包括數(shù)據(jù)線 /TXD和 /RXD， 狀態(tài)線 /RTS和/CTS，控制線 /DTR、/DCD和 RING）。

(2) 串口1可用作復(fù)合信號(hào)撥號(hào)傳真，GPRS服務(wù)和發(fā)送控制模塊的AT指令。還可使用多路復(fù)用功能，但多路復(fù)用功能不能同時(shí)使用串口 2。

(3)  串口 1 支持 1 200，2 400，4 800，9 600，19 200， 38 400，57 600，115 200 波特率，默認(rèn)為 115 200 b/s。

(4) 自動(dòng)波特率支持1 200，2 400，4 800，9 600，19 200， 38 400，57 600，115 200 b/s。

(5) 串口 2端口有兩根線（ 只包含數(shù)據(jù)線 /TXD和 / RXD）。

(6) 串口 2只能用來傳送 AT指令，不能用來復(fù)合信號(hào)撥號(hào)、傳真，也沒有多路復(fù)用功能。

(7) 串口2 支持 9 600，19 200，38 400，57 600，115 200 b/s波特率。

2.3 其它電路設(shè)計(jì)

2.3.1 人機(jī)接口電路

本文采用16 3 字符SPI 接口的LCD 屏幕、按鍵與LED 組成系統(tǒng)人機(jī)界面，使用CC2530 的嵌入式增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核作為其控制器。

2.3.2 復(fù)位電路

本設(shè)計(jì)采用按鍵和 USB 雙復(fù)位電路， 其中USB_EM_ RESET 用于仿真器控制CC2530 復(fù)位。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 總體構(gòu)成

ZigBee/GPRS 網(wǎng)關(guān)軟件主要實(shí)現(xiàn)ZigBee 協(xié)調(diào)器的建立和GPRS 網(wǎng)絡(luò)的建立，并且實(shí)現(xiàn) ZigBee 與GPRS 網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其軟件流程圖如圖 3 所示。

首先上電系統(tǒng)初始化，包括ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和GPRS 模塊的初始化，初始化完成后，系統(tǒng)進(jìn)入睡眠，直到檢查周期運(yùn)行到模塊處理系統(tǒng)。模塊任務(wù)周期首先檢查是否有GPRS 模塊接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的通訊信號(hào)，若有，則 GPRS 模塊是執(zhí)行狀態(tài) ；若沒有，則直接反應(yīng)。判斷 ZigBee 定時(shí)器的時(shí)間是否到時(shí)。若ZigBee 查詢周期的定時(shí)器到時(shí)，則數(shù)據(jù)采集和收集監(jiān)測(cè)每個(gè)子集合的節(jié)點(diǎn)信號(hào)工作參數(shù)，如果監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)被更新，監(jiān)測(cè)信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到每個(gè)子節(jié)點(diǎn)，然后確定是否有一個(gè)按鍵信號(hào)，并更新相應(yīng)的 LCD 顯示信息，存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)， 進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)

ZigBee 協(xié)議實(shí)現(xiàn)方面已經(jīng)有許多公司推出了自己的ZigBee 協(xié)議棧， 例如 Ember、AirBee、Figure 8 Wireless 等， 其中以 Figure 8 Wireless（F8W）所設(shè)計(jì)的 Z-Stack 最負(fù)盛名， 應(yīng)用更廣。

Z-Stack 包含了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膸缀跞δ艿膮f(xié)議棧，在競爭激烈的ZigBee 領(lǐng)域占有重要地位，本設(shè)計(jì)采用Z-Stack_ CC2530 版本的ZigBee 協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。由于Z-Stack 協(xié)議棧已經(jīng)提供了完整的ZigBee2007 協(xié)議各層的代碼，因此本文對(duì)此不再贅述。

3.3 GPRS驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

GPRS 在SIM300 模塊的工作流程如圖 4 所示。

SIM300 嵌入式軟件驅(qū)動(dòng)程序主要包括電源模塊、SIM300 初始化模塊和AT 指令功能模塊。

3.3.1 SIM300初始化

將SIM300上電，觀察networkled引腳上的網(wǎng)絡(luò)指示燈， 網(wǎng)絡(luò)指示燈閃爍頻率為64msON/800msOFF，工作狀態(tài)為SIM300模塊尋找GPRS網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過一段時(shí)間，閃爍頻率網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)為64msON/3000msOFF，說明模塊連接到GPRS 網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間的長短根據(jù)地理位置的信號(hào)強(qiáng)度決定，信號(hào)強(qiáng)度越高， 等待的時(shí)間就越少，一般在12s。SIM300連接到GPRS網(wǎng)絡(luò)后，SIM300的POWERKEY引腳得到一個(gè)大于1500ms 的低脈沖，該脈沖是單片機(jī)引腳給出的，作為打開SIM300模塊的觸發(fā)脈沖。

3.3.2 AT指令

AT 指令集是從終端設(shè)備（TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE） 向終端適配器（TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（DCE）發(fā)送的，通過終端適配器TA，數(shù)據(jù)終端設(shè)備 (TE）發(fā)送AT 命令控制移動(dòng)臺(tái)（MS）的功能，與 GSM 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過AT 進(jìn)行呼叫、電話本、短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、文本消息、傳真等方面的控制。使用時(shí)直接以命令的形式發(fā)送字符，接收時(shí)間需要等待并判斷。

3.3.3 如何使用TCP向遠(yuǎn)端SERVER傳輸數(shù)據(jù)

先要建立一個(gè)TCP 連接，模塊作為客戶端向遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)起一個(gè)TCP 連接，成功連接需要客戶端連接到的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，該服務(wù)器的IP 地址是網(wǎng)絡(luò)的IP 地址（可以用撥號(hào)方式獲得），運(yùn)行我們的服務(wù)器軟件建立 TCP 連接。連接成功后返回 CONNECT OK 信息。然后可以用 AT+CIPSEND 發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器，如果服務(wù)器有數(shù)據(jù)，則模塊通過串口接收 數(shù)據(jù)。使用“AT+CIPCLOSE”命令關(guān)閉 TCP 連接。

4 利用該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)的無線網(wǎng)絡(luò)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 

大型跨流域調(diào)水工程從水庫的中心取水，分別為三個(gè)不 同的基地供水，以解決嚴(yán)重的水資源短缺危機(jī)。這樣一個(gè)具 體的工程一般難以通過架設(shè)電纜設(shè)備完成監(jiān)測(cè)并實(shí)時(shí)傳輸水 文信息，在這種情況下，無線通信的優(yōu)勢(shì)變得愈加明顯。但在 真實(shí)的測(cè)量環(huán)境中，要測(cè)量水位、水壓等參數(shù)，需要形成多 個(gè)測(cè)量點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量多個(gè)參數(shù)往往需設(shè)置在一定的區(qū)域內(nèi)， 用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信建設(shè)可以實(shí)現(xiàn)距離的可行性，因此 我們結(jié)合 ZigBee 和 GPRS 技術(shù)的特點(diǎn)，使用之前的通信網(wǎng)關(guān) 設(shè)計(jì)了基于 ZigBee/GPRS 的無線網(wǎng)絡(luò)水情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其示意 圖如圖 5 所示。

該系統(tǒng)具有自組織、短距離、低功耗、遠(yuǎn)程傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)， 每一個(gè)水情監(jiān)測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)成一個(gè)終端采集節(jié)點(diǎn)，形成一定距離的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。結(jié)合本文設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)關(guān)完成遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備監(jiān)測(cè)和終端信息采集。方案通過以上ZigBee 無線通信網(wǎng)關(guān)完成了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和無線通信模塊及上位機(jī)軟件的無線通訊， 實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)水情監(jiān)控。

5 結(jié) 語

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水文監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代化具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，此舉不僅可以滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)量的基本要求， 還能夠?qū)崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)化與現(xiàn)代智能化的需求，具有廣大的應(yīng)用前景。