工程機械遠程監測系統中ZigBee網關的設計

朱福民，沈宇華，江　磊

(上海海事大學 物流工程學院，上海201306)

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工程機械遠程監測系統中ZigBee網關的設計

朱福民，沈宇華，江磊

(上海海事大學 物流工程學院，上海201306)

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。

工程機械；ZigBee網關； 遠程監測；GPRS；Z-stack

引用格式：朱福民，沈宇華，江磊. 工程機械遠程監測系統中ZigBee網關的設計[J].微型機與應用，2016,35(16)：50-52.

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。

圖1　基于ZigBee無線網關遠程監測系統示意圖

1　ZigBee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。

圖2　ZigBee網關核心模塊

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。

2　ZigBee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。

圖3　 ZigBee網關整體工作流程

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

If(idx

{

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。

[1] 朱福民，劉炎民，朱英翔.基于ZigBee無線傳感網絡的人體動作信息采集平臺設計[J].微型機與應用,2014,33(8):19-21.

[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.

Design of ZigBee gateway in remote monitoring system ofconstruction machinery

Zhu Fumin, Shen Yuhua , Jiang Lei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

In this paper, taking the construction machinery as the object, a wireless gateway based on ZigBee wireless sensor network and GPRS Remote Communication of real-time remote monitoring system is researched and designed. The gateway is composed of ZigBee coordination module and GPRS module, taking STM32 as the core controller of the gateway, and respective selection, hardware and software design of the ZigBee coordinator and GPRS module are done. To achieve the real-time monitoring system, the following relevant technologies are needed: ZigBee wireless network, GPRS, TCP/IP communication technology and Z-stack protocol stack

construction machinery;ZigBee gateway;remote monitoring;GPRS;Z-stack

TP393

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.16.015

2016-03-19)

朱福民(1962-)，男，博士，教授，主要研究方向：無線傳感器網絡，嵌入式系統的設計與開發，工程機械的設計、制造和應用。

沈宇華(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：工程機械的設計、制造和應用，無線傳感器網絡。

江磊(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：工程機械的設計、制造和應用，無線傳感器網絡。