朱福民，沈宇華，江磊
（上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306）
摘要：以工程機(jī)械為對象，研究并設(shè)計了一個基于ZigBee無線采集網(wǎng)絡(luò)和GPRS遠(yuǎn)程通信的實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊以及GPRS模塊組成，以STM32為網(wǎng)關(guān)的核心控制器，并對ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊分別進(jìn)行選型、硬件及軟件設(shè)計。實(shí)現(xiàn)整個實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)需要的相關(guān)技術(shù)有：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS、TCP/IP通信技術(shù)、Zstack協(xié)議棧。
關(guān)鍵詞：工程機(jī)械；ZigBee網(wǎng)關(guān)； 遠(yuǎn)程監(jiān)測；GPRS；Zstack
0引言
工程機(jī)械是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要裝備，在工業(yè)建設(shè)中占有舉足輕重的地位。我國的工程機(jī)械行業(yè)在全球同行中占有重要位置，產(chǎn)品已經(jīng)出口到歐美等工程機(jī)械強(qiáng)國。因此我國對工程機(jī)械產(chǎn)品的高效工作、安全作業(yè)的要求越來越苛刻，越來越規(guī)范化。近年來隨著無線通信網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了許多新的短距離無線通信技術(shù)，其中以低成本、低功耗、低復(fù)雜度為特色的ZigBee技術(shù)脫穎而出［1］。
本文研究了一種應(yīng)用在工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的ZigBee無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法［2］。通過將ZigBee無線網(wǎng)關(guān)放置在被監(jiān)測者的傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)時采集被檢測者的運(yùn)行參數(shù)［3］。這些數(shù)據(jù)包將由ZigBee網(wǎng)關(guān)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并在客戶端界面進(jìn)行實(shí)時呈現(xiàn)［4］。
圖1為基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。
1ZigBee網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計
ZigBee網(wǎng)關(guān)的作用就是將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)的一個通道，沒有這個通道，終端設(shè)備采集的數(shù)據(jù)無法送出，其中起到?jīng)Q定性作用的是GPRS無線通信模塊，所有的數(shù)據(jù)只有通過GPRS模塊以后，它們才可以訪問遠(yuǎn)端服務(wù)器。本文將要實(shí)現(xiàn)的ZigBee結(jié)合GPRS的網(wǎng)關(guān),其核心模塊是由ZigBee的協(xié)調(diào)器中心節(jié)點(diǎn)和GPRS無線模塊組成的，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用美國德州儀器公司（TI）推出的CC2530芯片設(shè)計［5］。相比較其他的ZigBee解決方案，CC2530被當(dāng)做一款主推的新型系統(tǒng)級芯片而得到了廣泛的應(yīng)用，是一款真正意義上的ZigBee體系架構(gòu)解決方案。如圖2所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)將底層網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)采集來的數(shù)據(jù)封裝打包從UART串口傳輸?shù)紾PRS模塊，串口是建立CC2530和GPRS聯(lián)系的橋梁；GPRS模塊則負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信交互，從串口收到協(xié)調(diào)器采集來的數(shù)據(jù)之后再傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器，將遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送至網(wǎng)關(guān)的指令送至STM32核心芯片進(jìn)行處理。
本文選用的中央處理器是意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics) 的STM32F103VCT6，這款芯片是基于STM32設(shè)計的一款加強(qiáng)型芯片，它擁有ARM CortexM3內(nèi)核，同時具備卓越的工作性能，低廉的成本和低的功耗。這款增強(qiáng)型芯片的時鐘頻率可達(dá)72 MHz，是其他型號系列無法超越的，它是16位產(chǎn)品的最佳選擇。圖2是ZigBee網(wǎng)關(guān)核心模塊，可以發(fā)現(xiàn)幾個模塊主要是通過串口通信。
GPRS模塊是網(wǎng)關(guān)的另一個重要部分，由CC2530做協(xié)調(diào)器來開啟網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，采集終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，但只有通過GPRS才能將該局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)交互［6］。本文采用的GPRS模塊是GU900_GSM_GPRS無線模塊，該產(chǎn)品支持業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的OPENAT工作方式，用戶可以根據(jù)自己的需求來自定義應(yīng)用程序，再將程序二次移植到GU900模塊上去。GU900內(nèi)置了豐富的API函數(shù)可供用戶參考使用，方便靈活，值得開發(fā)利用。
2ZigBee網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計
2.1網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)流程設(shè)計
ZigBee的網(wǎng)關(guān)設(shè)計分成兩個部分：協(xié)調(diào)器部分和GPRS模塊部分，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立無線采集網(wǎng)絡(luò)，GPRS模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)和外界網(wǎng)絡(luò)的通信，協(xié)調(diào)器和GPRS之間用串口通信［7］。整個網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖3所示。
2.2ZigBee協(xié)議的設(shè)計
本文所用到的ZigBee協(xié)議體系框架總體上分成以下幾個層次：從最底層的物理層（PHY），往上是媒體介質(zhì)訪問層（MAC），其等效于數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層。其中，物理層定義了物理無線信道，有3個頻段可供ZigBee使用，分別是2.4 GHz和868/915 MHz。媒體介質(zhì)訪問層則負(fù)責(zé)一切物理層的無線信道訪問，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號和同步信號。使用的Zstack協(xié)議（TI公司所推出的ZigBee協(xié)議棧）是基于物理層和媒體介質(zhì)訪問層之上的，它主要實(shí)現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的支持。除了ZigBee體系結(jié)構(gòu)中提到的4個層次，在Zstack協(xié)議中還添加了操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），它的地位就像是一個操作系統(tǒng)。Zstack協(xié)議棧的系統(tǒng)運(yùn)行時遵循一個輪詢的過程，以物理層為優(yōu)先級，接著依次是介質(zhì)層、網(wǎng)絡(luò)層、硬件層和應(yīng)用層。每一層都有一個或幾個ID號，Zstack輪詢代碼如下。
do{
If(tasksEvents［idx］)
{
Break;
}
}while(++idx<tasksCnt);
If(idx<tasksCnt)
{
Unit16 events;
halIntState_t intState;
HAL_ENTER_CRITICAL_S ECTION(int State);
events = tasksEvents［idx］;
tasksEvents［idx］=0;
HAL_EXIT _C RITICAL_SE CTION(int State);
events =( tasksArr［idx］)(idx,events);
HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(int State);
tasksEvents［id x］=events;
HAL_EXIT_C RITICAL_SE CTION(int State);
}
2.3GPRS通信程序設(shè)計
ZigBee網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊部分用到了動態(tài)域名解析技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)動態(tài)域名解析，使用花生殼DNS服務(wù)來綁定域名和動態(tài)IP地址［8］。本系統(tǒng)使用的是GU900的GPRS模塊，上電GPRS模塊后，首先必須配置GPRS的AT命令，其中包括對GU900模塊的短信功能還是上網(wǎng)模式的選擇，對TCP/IP連接還是UDP連接的配置，遠(yuǎn)程服務(wù)器IP地址或者是域名的配置以及透傳模式的切換等；在正確建立了TCP連接之后，等待遠(yuǎn)程Socket發(fā)來采集數(shù)據(jù)請求；收到請求之后STM32和CC2530就開始采集數(shù)據(jù)，采集完畢將數(shù)據(jù)從GPRS送出。
下面是GU900設(shè)置AT指令進(jìn)入無線透傳的部分代碼，需要對一些參數(shù)進(jìn)行初始化：
AT+CSTT="CMNET" //設(shè)置APN
AT+CIPCFG=1，50，0//對GU900進(jìn)行初始化配置
AT+CIPPACK=0，"00"//設(shè)置網(wǎng)絡(luò)心跳包的格式
AT+CIPMUX=0//設(shè)置GU900是在單鏈接模式下工作
AT+CIPMODE=1//進(jìn)入透傳模式
CIPSCONT=0，"TCP","www.smugenius.com"，8080，2//設(shè)置成TCP模式，并且以域名的形式進(jìn)行訪問，端口號設(shè)置為8080
2.4系統(tǒng)測試
本測試過程中，選取了起重機(jī)剛提起物塊的這段時間。通過溫度傳感器和壓力傳感器將數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，再由GPRS輸出，由系統(tǒng)的3個節(jié)點(diǎn)在互聯(lián)網(wǎng)平臺的監(jiān)測界面可知，主泵壓力大約為12 MPa，卷揚(yáng)機(jī)起升壓力為10 MPa左右，另外，此時油溫為50℃左右。
3結(jié)論
當(dāng)前基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用也愈加廣泛。本文針對工程機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)的要求，綜合考慮實(shí)際應(yīng)用中的成本和要求，研究并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS模塊進(jìn)行信息交換的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)：（1）運(yùn)用ZigBee無線采集網(wǎng)絡(luò)對工程機(jī)械作業(yè)時的各項參數(shù)進(jìn)行采集，相比較常規(guī)的有線監(jiān)測方法，ZigBee的測點(diǎn)選擇更加靈活，約束更少；（2）ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)合GPRS模塊組成ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)來與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，傳送采集數(shù)據(jù)，方便工作人員隨時隨地掌握設(shè)備工作情況。
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