朱福民，沈宇華，江磊
　　（上海海事大學 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無線采集網絡和GPRS遠程通信的實時遠程監測系統的無線網關，該網關由ZigBee協調器模塊以及GPRS模塊組成，以STM32為網關的核心控制器，并對ZigBee協調器和GPRS模塊分別進行選型、硬件及軟件設計。實現整個實時監測系統需要的相關技術有：ZigBee無線網絡、GPRS、TCP/IP通信技術、Zstack協議棧。
　　關鍵詞：工程機械；ZigBee網關； 遠程監測；GPRS；Zstack　　

0引言
　　工程機械是國民經濟建設的重要裝備，在工業建設中占有舉足輕重的地位。我國的工程機械行業在全球同行中占有重要位置，產品已經出口到歐美等工程機械強國。因此我國對工程機械產品的高效工作、安全作業的要求越來越苛刻，越來越規范化。近年來隨著無線通信網絡和嵌入式系統等技術的飛速發展，陸續出現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護系統中的ZigBee無線網關的設計方法［2］。通過將ZigBee無線網關放置在被監測者的傳感器節點，實時采集被檢測者的運行參數［3］。這些數據包將由ZigBee網關通過GPRS發送到遠程服務器，并在客戶端界面進行實時呈現［4］。
　　圖1為基于ZigBee技術的無線網關系統體系結構。

1ZigBee網關模塊硬件設計
　　ZigBee網關的作用就是將ZigBee無線網絡中的數據傳輸到Internet網絡的一個通道，沒有這個通道，終端設備采集的數據無法送出，其中起到決定性作用的是GPRS無線通信模塊，所有的數據只有通過GPRS模塊以后，它們才可以訪問遠端服務器。本文將要實現的ZigBee結合GPRS的網關,其核心模塊是由ZigBee的協調器中心節點和GPRS無線模塊組成的，其中協調器節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，協調器節點主要負責將底層網絡終端節點采集來的數據封裝打包從UART串口傳輸到GPRS模塊，串口是建立CC2530和GPRS聯系的橋梁；GPRS模塊則負責與遠程服務器通信交互，從串口收到協調器采集來的數據之后再傳輸給遠程服務器，將遠程服務器發送至網關的指令送至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位產品的最佳選擇。圖2是ZigBee網關核心模塊，可以發現幾個模塊主要是通過串口通信。

　　GPRS模塊是網關的另一個重要部分，由CC2530做協調器來開啟網絡，維護網絡，采集終端節點的數據，但只有通過GPRS才能將該局域網內的數據和互聯網交互［6］。本文采用的GPRS模塊是GU900_GSM_GPRS無線模塊，該產品支持業內領先的OPENAT工作方式，用戶可以根據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內置了豐富的API函數可供用戶參考使用，方便靈活，值得開發利用。
2ZigBee網關模塊軟件設計
　　2.1網關系統流程設計
　　ZigBee的網關設計分成兩個部分：協調器部分和GPRS模塊部分，協調器負責建立無線采集網絡，GPRS模塊負責網關和外界網絡的通信，協調器和GPRS之間用串口通信［7］。整個網關的工作流程如圖3所示。

　　2.2ZigBee協議的設計
　　本文所用到的ZigBee協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），其等效于數據鏈路層、網絡層（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，產生網絡信號和同步信號。使用的Zstack協議（TI公司所推出的ZigBee協議棧）是基于物理層和媒體介質訪問層之上的，它主要實現了對網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協議中還添加了操作系統抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），它的地位就像是一個操作系統。Zstack協議棧的系統運行時遵循一個輪詢的過程，以物理層為優先級，接著依次是介質層、網絡層、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網關的GPRS模塊部分用到了動態域名解析技術，為了實現動態域名解析，使用花生殼DNS服務來綁定域名和動態IP地址［8］。本系統使用的是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發來采集數據請求；收到請求之后STM32和CC2530就開始采集數據，采集完畢將數據從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據傳送給協調器，再由GPRS輸出，由系統的3個節點在互聯網平臺的監測界面可知，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測系統中無線網絡的要求，綜合考慮實際應用中的成本和要求，研究并實現了基于ZigBee網絡與GPRS模塊進行信息交換的網關系統。
　　本文的創新點：（1）運用ZigBee無線采集網絡對工程機械作業時的各項參數進行采集，相比較常規的有線監測方法，ZigBee的測點選擇更加靈活，約束更少；（2）ZigBee網絡結合GPRS模塊組成ZigBee網關，通過網關來與遠程服務器通信，傳送采集數據，方便工作人員隨時隨地掌握設備工作情況。
　　參考文獻
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　　［2］ 謝小芳,黃俊,譚成宇.基于RFID的電力溫度監控系統的軟件與設計［J］.電子技術應用,2013,39（1）:2326.
　　［3］ 李紅, 楊兆建, 李娟莉. 基于 GPRS 的礦井提升機制動系統故障遠程監測診斷系統研究［J］. 機械管理開發, 2012（1）: 2427.
　　［4］ 章偉聰, 俞新武, 李忠成. 基于 CC2530 及ZigBee協議棧設計無線網絡傳感器節點［J］.計算機系統應用，2011，20（7）：181187.
　　［5］ 張久朋, 王喆, 史洪瑋. 基于 TDSCDMA 的ZigBee接入網關的設計［J］. 江漢大學學報 (自然科學版), 2011, 39(1): 5759.
　　［6］ 金福寶. 基于GPRS的橋梁遠程監測系統的研究［D］. 哈爾濱：東北林業大學, 2007.
　　［7］ 張久朋, 王喆, 史洪瑋. 基于 TDSCDMA 的ZigBee接入網關的設計［J］. 江漢大學學報 (自然科學版), 2011, 39(1): 5759.
　　［8］ 王風. 基于 CC2530 的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現［D］. 西安：西安電子科技大學, 2012.