基于ZigBee、GPRS和TCP/IP協議的無線網關設計*

項雷軍

（華僑大學 信息科學與工程學院，福建 廈門361021）

隨著無線通信技術、傳感器技術和計算機網絡技術的不斷發展，無線傳感器網絡作為一種多學科交叉技術得到了學術界和工業界的廣泛關注。ZigBee技術是一種具有近距離、低速率、低功耗、雙向數據傳輸、可以自組網等特點的高可靠個域網無線通信標準[1-2]。在工業控制、醫療健康、農業節水灌溉、樓宇自動化、智能電網等眾多領域，基于ZigBee技術的無線傳感器網絡都具有很好的應用價值和發展前景[2-3]。ZigBee無線網絡的網關設計有多種方法，設計方案各有優缺點，難易程度和成本開支存在差異。本文所介紹的基于ZigBee技術的無線傳感器網絡網關通過GPRS將互聯網中的計算機通過網絡與無線傳感器網絡的協調器連接在一起，通過互聯網中的計算機對無線傳感器網絡進行監控。且該系統的網關實現了ZigBee無線傳感網絡和基于TCP/IP協議的互聯網的有機融合，網關GPRS從網絡中分配到一個IP地址，使整個無線傳感器網絡成為互聯網中的一臺“計算機”[4-5]。該網關設計方案實現較為容易，且成本低廉，對無線傳感器網絡在工業控制、智能電網、環境監測、智能家居等領域的應用開發具有很好的參考價值。

1 系統的拓撲結構

ZigBee是由ZigBee聯盟在IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和媒體介質訪問層（MAC）基礎上增加網絡層(NWK)和 應 用層(APL)等所形 成 的 協議體系 結 構[2，6]。 在ZigBee網絡中存在兩種設備，即全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。網絡中的節點可分為網絡協調器、路由器和終端節點。網絡協調器和路由器必須是FFD，而終端節點則可以是FFD或者RFD。FFD既可以與FFD通信，也可以與RFD通信，而RFD與RFD之間不能直接通信。ZigBee網絡的拓撲結構可分為星形網絡、網狀網絡和樹狀網絡。

本系統主要是由ZigBee無線傳感器網絡、網關和遠程服務器組成，系統的整體結構如圖1所示。系統的ZigBee無線傳感器網絡選用樹狀網絡拓撲結構。網關是整個ZigBee無線網絡的控制中心，它由以CC2430為處理器的ZigBee網絡協調器、8位單片機C8051F120、GPRS模塊、電源模塊及其他外圍電路所構成。網絡服務器是連接在互聯網中具有公網IP地址的一臺個人計算機，在該臺計算機中安裝有基于Visual C++開發環境所設計開發的帶有Access數據庫的控制軟件。

2 硬件設計

此系統無線網關的主要功能是將ZigBee無線網絡和互聯網中的計算機連接起來，使得通過互聯網可以監控ZigBee網絡中的所有節點，通過該網關也可以對Zig-Bee網絡中的節點進行監控。該無線網關的硬件主要由ZigBee網絡協調器、GPRS模塊和C8051F120微處理器組成。網絡協調器的核心芯片選擇TI公司生產的CC2430單片機，GPRS模塊選用的是 SIM300模塊，C8051F120單片機是美國Silicon Laboratories公司的產品。

CC2430是由一顆高性能、低功耗的8051單片機內核和符合IEEE 802.15.4標準的2.4 GHz的無線電收發機組成[7]。CC2430的閃存根據存儲空間的大小可以分成3種，分別是 32 KB、64 KB和 128 KB，本系統的網絡協調器微處理器選擇的是128 KB的CC2430。

C8051F120是一款完全繼承的混合信號片上系統型的8位MCU，具有64個數字I/O引腳，該款芯片共有100個引腳，具有豐富的片上資源；具有128 KB的Flash存儲器和8 448 B的片內RAM；兩個串行通信接口，分別是UART0和UART1，在此系統網關設計中這兩個串行端口對數據和控制指令的傳輸起到關鍵作用。

SIM300是一款內嵌了TCP/IP網絡通信協議、可以通過標準的AT指令進行操作的高性能GPRS模塊。通過AT指令操作可以輕松使GRPS與互聯網中的計算機建立基于TCP/IP的網絡連接，該模塊還具有短信息和語音通話功能，非常適合應用于工業監控和樓宇自動化等領域。

該系統網關的硬件設計結構如圖2所示，C8051F120與SIM300之間的通信基于RS232串口通信協議，使用的是 UART0端口，TX0和 RX0分別是 I/O端口的 P0.0與P0.1；與網絡協調器之間的通信同樣基于RS232串口通信協議，使用的是UART1端口，TX1和RX1分別是I/O端口的P0.2與P0.3。網絡協調器端的串口通信選擇的是CC2430的 UART0，TX和 RX分別是 I/O端口的 P0.3與P0.2。在串口通信中，TX應該與接收方的RX連接，RX應該與發送方的TX連接，所以C8051F120與GPRS的串口連接要交叉連接，也就是C8051F120的TX0連接GPRS的 RX，RX0連接 GPRS的 TX。同理，C8051F120與網絡協調器的連接也要交叉連接。在該網關的設計中，還要考慮到一個電源參考電壓的問題，為了使它們有一個共同的地，網關的這三部分的地要連接在一起。

通過中間的C8051F120對網絡協調器和GPRS之間的雙向數據進行處理，可以使協調器不會因為GPRS的握手協議的存在而提高串口通信的中斷頻率，把主要的工作放在ZigBee無線網絡這一端，從而提高網絡協調器的運行穩定性并且使ZigBee無線網絡具有良好的可擴展性。

3 軟件編程

網關的軟件設計是在網關的硬件設計基礎上展開的。根據前面的硬件設計，程序設計可以分為兩個部分：網絡協調器的程序設計和基于C8051F120的程序設計。GPRS模塊的操作屬于C8051F120的程序處理范疇。

3.1 網絡協調器的程序設計

網絡協調器是整個ZigBee網絡的控制中心，在Zig-Bee網絡中處于核心地位。整個系統中，網絡協調器的作用主要分為兩個方面：(1)對ZigBee網絡進行組網；(2)連接ZigBee網絡與C851F120，使二者之間互相通信。具體而言，網絡協調器對ZigBee網絡進行組網，為網絡中的各個節點分別分配一個16位的網絡地址，對網絡中的節點進行控制和采集相關節點信息。在ZigBee網絡與C8051F120之間起到“橋梁”的作用，即接收并處理來自C8051F120的控制指令，采集來自ZigBee網絡的數據并打包傳輸給C8051F120，由C8051F120做進一步處理。

網絡協調器與C8051F120之間的通信是基于RS232串口通信協議的串口通信。ZigBee協議棧所定義的串口通信波特率有38 400 bit/s和115 200 bit/s，此處選擇115 200 bit/s作為協調器與C8051F120通信的波特率。系統開發過程中，選用Z-Stack的例程SimpleApp并以此為基礎設計協調器和ZigBee節點的程序，此舉可節省較多開發時間。協調器程序設計時，與串口通信相關的一些參數應在sapi.h文件中定義，而初始化部分應放在sapi.c中的初始化函數 SAPI_Init(byte task_id)中，當協調器開始工作時即可初始化CC2430的串口通信。ZigBee網絡協調器開始工作時是從協議棧的ZMain.c文件中的主函數main(void)開始運行的，在此過程中需調用os-al_int_disable(INTS_ALL)關中斷，再調用協議棧各層的初始化函數及CC2430片上資源的初始化函數進行初始化，初始化之后調用 osal_int_enable(INTS_ALL)允許中斷。最后程序通過osal_start_system()進入協議棧的任務操作系統。該函數是協議棧操作系統的主循環函數，進入該函數后將不再返回。在操作系統的運行過程中如果有事件產生將調用函數task_event_processor()對事件進行處理。

系統開發過程中，網絡協調器和終端節點的程序是在同一個工程中進行開發的，即Z-Stack中的sapi.c文件和sapi.h文件是由網絡協調器程序和終端節點程序共同調用的，故在這兩個文件中單獨涉及到網絡協調器和單獨涉及到終端節點的程序部分應分別存入各自的條件編譯程序塊中。網絡協調器的程序運行流程圖如圖3所示。

3.2 基于C8051F120的程序設計

在系統設計中，C8051F120是一個很重要的中間件，它將ZigBee網絡與互聯網中的遠程服務器連接起來，使得管理員可以通過服務器的控制軟件或其他客戶端控制軟件對ZigBee網絡進行實時監控。C8051F120通過UART0與SIM300連接在一起，在啟動時首先要做的工作就是初始化SIM300模塊并與互聯網中的遠程服務器建立連接，這樣管理員才可以通過遠程服務器上的控制軟件對ZigBee無線網絡進行監控。這一步非常重要，如果不與服務器建立連接，則管理員就無法通過服務器上的控制軟件對ZigBee無線傳感器網絡進行監控。根據系統要求，C8051F120對GPRS模塊的初始化可以分為表1所示的幾個部分。

表1 GPRS模塊初始化列表

C8051F120的程序設計用到兩個串口通信，串口通信的數據收發均通過中斷服務程序實現[8]。C8051F120總共有20個中斷源。在中斷系統中，UART0的中斷優先級是4，UART1的中斷優先級是20，即 UART0的優先級比UART1高。系統選用外部22.118 4 MHz晶振經鎖相環二倍頻后，產生50 MHz時鐘源。Timer2通過16位自動重裝載模式設置115 200 bit/s的波特率作為UART0波特率。而Timer1通過8位自動重裝載模式設置115 200 bit/s的波特率作為UART1波特率，這個波特率與協調器的波特率相匹配。該部分的設置均采用Silicon Laboratories IDE集成開發環境來編程實現。C8051F120的程序運行流程圖如圖4所示。

由于ZigBee網絡與遠程服務器之間的通信屬于通過GPRS進行的基于TCP/IP的網絡通信，受移動網絡的影響，因此系統通信容易產生時滯，多次發送的數據集中在同一時間接收，易產生誤控制及數據的誤處理。為解決該問題，需按照以下基本格式定義無線通信的握手協議：從服務器端發送來的控制指令的格式為0xAA+節點序號+節點網絡地址+指令+0xAA，總字節數是6 B。如果C8051F120從GPRS接收到的數據不符合這種數據格式，則對這樣的數據不做處理，直接從緩存中刪除。C8051F120從網絡協調器接收到的數據幀也是由固定的幀頭和幀尾以及中間的相關數據組成，數據幀的格式是0xFF+（節點序號+節點網絡地址+節點狀態）+…+（節點序號+節點網絡地址+節點狀態）+0xFF。C8051F120接收到網絡協調器發送過來的數據時，則轉到UART1串口通信的中斷服務子程序進行處理，要處理的內容包括判斷數據幀的幀頭、幀尾、總字節數等。如果中間的數據判斷有哪個與程序設計過程中定義的不一致，則退出中斷并清空接收緩存，否則按流程圖的順序執行程序。在程序的運行過程中，C8051F120每完成一個任務都會用一個相應的全局變量來標志，以便作為下一個環節程序處理依據。例如變量InitOrRun，當InitOrRun=0時，表示此時程序處于 GPRS的初始化階段；InitOrRun=1時，表示此時程序處于系統正常運行階段。

ZigBee技術在各種監測與控制領域的應用將會越來越廣泛，根據系統的要求以及特定通信協議設計一個網關，把不同的通信協議組合或轉換，是一項非常重要的工作，對系統的開發實現起到關鍵作用。本系統的網關不僅可以將基于TCP/IP的網絡通信的數據轉換為監控ZigBee無線網絡的控制指令，也可以將ZigBee無線網絡的數據進行轉換后通過互聯網傳輸給遠程服務器和客戶端計算機。此網關設計方案中單片機C8051F120的程序稍作修改即可應用于類似的系統中，例如工業控制、智能家居、農業節水灌溉、環境監測、煤礦安全等。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee Specification[S].2006.

[2]金純，羅祖秋，羅鳳，等.ZigBee技術基礎及案例分析[M].北京：國防工業出版社，2008.

[3]崔遜學，趙湛，王成.無線傳感器網絡的領域應用與設計技術[M].北京：國防工業出版社，2009.

[4]劉元安，葉靚，邵謙明，等.無線傳感器網絡與 TCP/IP網絡的融合[J].北京郵電大學學報，2006，29(6)：1-4.

[5]龐訓磊，殷保群，奚宏生.一種使用TCP/IP協議實現無線傳感器網絡互連的新型設計[J].傳感技術學報，2007，20(6)：1386-1390.

[6]REESE R.A ZigBee TM-subset/IEEE 802.15.4TM multiplatform protocol stack[C].In Electrical/Computer Engr MSU.2006.

[7]Chipcon.CC2430 preliminary data sheet(Rev.1.03)SWRS036A[S].2005.

[8]陳連坤.單片機原理及及接口技術（C語言版）[M].北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2010.