朱福民，沈宇華，江磊
　?。ㄉ虾：Ｊ麓髮W 物流工程學院，上海201306）

       摘要：以工程機械為對象，研究并設計了一個基于ZigBee無線采集網(wǎng)絡和GPRS遠程通信的實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)的無線網(wǎng)關，該網(wǎng)關由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊以及GPRS模塊組成，以STM32為網(wǎng)關的核心控制器，并對ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊分別進行選型、硬件及軟件設計。實現(xiàn)整個實時監(jiān)測系統(tǒng)需要的相關技術有：ZigBee無線網(wǎng)絡、GPRS、TCP/IP通信技術、Zstack協(xié)議棧。
　　關鍵詞：工程機械；ZigBee網(wǎng)關； 遠程監(jiān)測；GPRS；Zstack　　

0引言
　　工程機械是國民經(jīng)濟建設的重要裝備，在工業(yè)建設中占有舉足輕重的地位。我國的工程機械行業(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械強國。因此我國對工程機械產(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)絡和嵌入式系統(tǒng)等技術的飛速發(fā)展，陸續(xù)出現(xiàn)了許多新的短距離無線通信技術，其中以低成本、低功耗、低復雜度為特色的ZigBee技術脫穎而出［1］。
　　本文研究了一種應用在工程機械遠程監(jiān)護系統(tǒng)中的ZigBee無線網(wǎng)關的設計方法［2］。通過將ZigBee無線網(wǎng)關放置在被監(jiān)測者的傳感器節(jié)點，實時采集被檢測者的運行參數(shù)［3］。這些數(shù)據(jù)包將由ZigBee網(wǎng)關通過GPRS發(fā)送到遠程服務器，并在客戶端界面進行實時呈現(xiàn)［4］。
　　圖1為基于ZigBee技術的無線網(wǎng)關系統(tǒng)體系結構。

1ZigBee網(wǎng)關模塊硬件設計
　　ZigBee網(wǎng)關的作用就是將ZigBee無線網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡的一個通道，沒有這個通道，終端設備采集的數(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，它們才可以訪問遠端服務器。本文將要實現(xiàn)的ZigBee結合GPRS的網(wǎng)關,其核心模塊是由ZigBee的協(xié)調(diào)器中心節(jié)點和GPRS無線模塊組成的，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點采用美國德州儀器公司（TI）推出的CC2530芯片設計［5］。相比較其他的ZigBee解決方案，CC2530被當做一款主推的新型系統(tǒng)級芯片而得到了廣泛的應用，是一款真正意義上的ZigBee體系架構解決方案。如圖2所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負責將底層網(wǎng)絡終端節(jié)點采集來的數(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模塊則負責與遠程服務器通信交互，從串口收到協(xié)調(diào)器采集來的數(shù)據(jù)之后再傳輸給遠程服務器，將遠程服務器發(fā)送至網(wǎng)關的指令送至STM32核心芯片進行處理。
　　本文選用的中央處理器是意法半導體 (STMicroelectronics) 的STM32F103VCT6，這款芯片是基于STM32設計的一款加強型芯片，它擁有ARM CortexM3內(nèi)核，同時具備卓越的工作性能，低廉的成本和低的功耗。這款增強型芯片的時鐘頻率可達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)關的另一個重要部分，由CC2530做協(xié)調(diào)器來開啟網(wǎng)絡，維護網(wǎng)絡，采集終端節(jié)點的數(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)領先的OPENAT工作方式，用戶可以根據(jù)自己的需求來自定義應用程序，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)關模塊軟件設計
　　2.1網(wǎng)關系統(tǒng)流程設計
　　ZigBee的網(wǎng)關設計分成兩個部分：協(xié)調(diào)器部分和GPRS模塊部分，協(xié)調(diào)器負責建立無線采集網(wǎng)絡，GPRS模塊負責網(wǎng)關和外界網(wǎng)絡的通信，協(xié)調(diào)器和GPRS之間用串口通信［7］。整個網(wǎng)關的工作流程如圖3所示。

　　2.2ZigBee協(xié)議的設計
　　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），往上是媒體介質訪問層（MAC），其等效于數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層（NWK）和應用層。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。媒體介質訪問層則負責一切物理層的無線信道訪問，產(chǎn)生網(wǎng)絡信號和同步信號。使用的Zstack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訪問層之上的，它主要實現(xiàn)了對網(wǎng)絡層和應用層的支持。除了ZigBee體系結構中提到的4個層次，在Zstack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)。Zstack協(xié)議棧的系統(tǒng)運行時遵循一個輪詢的過程，以物理層為優(yōu)先級，接著依次是介質層、網(wǎng)絡層、硬件層和應用層。每一層都有一個或幾個ID號，Zstack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通信程序設計
　　ZigBee網(wǎng)關的GPRS模塊部分用到了動態(tài)域名解析技術，為了實現(xiàn)動態(tài)域名解析，使用花生殼DNS服務來綁定域名和動態(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，遠程服務器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設置AT指令進入無線透傳的部分代碼，需要對一些參數(shù)進行初始化：
　　AT+CSTT="CMNET" //設置APN
　　AT+CIPCFG=1，50，0//對GU900進行初始化配置
　　AT+CIPPACK=0，"00"//設置網(wǎng)絡心跳包的格式
　　AT+CIPMUX=0//設置GU900是在單鏈接模式下工作
　　AT+CIPMODE=1//進入透傳模式
　　CIPSCONT=0，"TCP","www.smugenius.com"，8080，2//設置成TCP模式，并且以域名的形式進行訪問，端口號設置為8080
　　2.4系統(tǒng)測試
　　本測試過程中，選取了起重機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，卷揚機起升壓力為10 MPa左右，另外，此時油溫為50℃左右。
3結論
　　當前基于ZigBee技術的無線傳感器網(wǎng)絡受到越來越多的關注，應用也愈加廣泛。本文針對工程機械監(jiān)測系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡的要求，綜合考慮實際應用中的成本和要求，研究并實現(xiàn)了基于ZigBee網(wǎng)絡與GPRS模塊進行信息交換的網(wǎng)關系統(tǒng)。
　　本文的創(chuàng)新點：（1）運用ZigBee無線采集網(wǎng)絡對工程機械作業(yè)時的各項參數(shù)進行采集，相比較常規(guī)的有線監(jiān)測方法，ZigBee的測點選擇更加靈活，約束更少；（2）ZigBee網(wǎng)絡結合GPRS模塊組成ZigBee網(wǎng)關，通過網(wǎng)關來與遠程服務器通信，傳送采集數(shù)據(jù)，方便工作人員隨時隨地掌握設備工作情況。
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