工程机械远程监测系统中ZigBee网关的设计

　　朱福民，沈宇华，江磊
　　（上海海事大学 物流工程学院，上海201306）

       摘要：以工程机械为对象，研究并设计了一个基于ZigBee无线采集网络和GPRS远程通信的实时远程监测系统的无线网关，该网关由ZigBee协调器模块以及GPRS模块组成，以STM32为网关的核心控制器，并对ZigBee协调器和GPRS模块分别进行选型、硬件及软件设计。实现整个实时监测系统需要的相关技术有：ZigBee无线网络、GPRS、TCP/IP通信技术、Z瞫tack协议栈。
　　关键词：工程机械；ZigBee网关； 远程监测；GPRS；Z瞫tack　　

0引言
　　工程机械是国民经济建设的重要装备，在工业建设中占有举足轻重的地位。我国的工程机械行业在全球同行中占有重要位置，产品已经出口到欧美等工程机械强国。因此我国对工程机械产品的高效工作、安全作业的要求越来越苛刻，越来越规范化。近年来随着无线通信网络和嵌入式系统等技术的飞速发展，陆续出现了许多新的短距离无线通信技术，其中以低成本、低功耗、低复杂度为特色的ZigBee技术脱颖而出［1］。
　　本文研究了一种应用在工程机械远程监护系统中的ZigBee无线网关的设计方法［2］。通过将ZigBee无线网关放置在被监测者的传感器节点，实时采集被检测者的运行参数［3］。这些数据包将由ZigBee网关通过GPRS发送到远程服务器，并在客户端界面进行实时呈现［4］。
　　图1为基于ZigBee技术的无线网关系统体系结构。

1ZigBee网关模块硬件设计
　　ZigBee网关的作用就是将ZigBee无线网络中的数据传输到Internet网络的一个通道，没有这个通道，终端设备采集的数据无法送出，其中起到决定性作用的是GPRS无线通信模块，所有的数据只有通过GPRS模块以后，它们才可以访问远端服务器。本文将要实现的ZigBee结合GPRS的网关,其核心模块是由ZigBee的协调器中心节点和GPRS无线模块组成的，其中协调器节点采用美国德州仪器公司（TI）推出的CC2530芯片设计［5］。相比较其他的ZigBee解决方案，CC2530被当做一款主推的新型系统级芯片而得到了广泛的应用，是一款真正意义上的ZigBee体系架构解决方案。如图2所示，协调器节点主要负责将底层网络终端节点采集来的数据封装打包从UART串口传输到GPRS模块，串口是建立CC2530和GPRS联系的桥梁；GPRS模块则负责与远程服务器通信交互，从串口收到协调器采集来的数据之后再传输给远程服务器，将远程服务器发送至网关的指令送至STM32核心芯片进行处理。
　　本文选用的中央处理器是意法半导体 (STMicroelectronics) 的STM32F103VCT6，这款芯片是基于STM32设计的一款加强型芯片，它拥有ARM Cortex睲3内核，同时具备卓越的工作性能，低廉的成本和低的功耗。这款增强型芯片的时钟频率可达72 MHz，是其他型号系列无法超越的，它是16位产品的最佳选择。图2是ZigBee网关核心模块，可以发现几个模块主要是通过串口通信。

　　GPRS模块是网关的另一个重要部分，由CC2530做协调器来开启网络，维护网络，采集终端节点的数据，但只有通过GPRS才能将该局域网内的数据和互联网交互［6］。本文采用的GPRS模块是GU900_GSM_GPRS无线模块，该产品支持业内领先的OPENAT工作方式，用户可以根据自己的需求来自定义应用程序，再将程序二次移植到GU900模块上去。GU900内置了丰富的API函数可供用户参考使用，方便灵活，值得开发利用。
2ZigBee网关模块软件设计
　　2.1网关系统流程设计
　　ZigBee的网关设计分成两个部分：协调器部分和GPRS模块部分，协调器负责建立无线采集网络，GPRS模块负责网关和外界网络的通信，协调器和GPRS之间用串口通信［7］。整个网关的工作流程如图3所示。

　　2.2ZigBee协议的设计
　　本文所用到的ZigBee协议体系框架总体上分成以下几个层次：从最底层的物理层（PHY），往上是媒体介质访问层（MAC），其等效于数据链路层、网络层（NWK）和应用层。其中，物理层定义了物理无线信道，有3个频段可供ZigBee使用，分别是2.4 GHz和868/915 MHz。媒体介质访问层则负责一切物理层的无线信道访问，产生网络信号和同步信号。使用的Z瞫tack协议（TI公司所推出的ZigBee协议栈）是基于物理层和媒体介质访问层之上的，它主要实现了对网络层和应用层的支持。除了ZigBee体系结构中提到的4个层次，在Z瞫tack协议中还添加了操作系统抽象层（Operating System Abstraction Layer，OSAL），它的地位就像是一个操作系统。Z瞫tack协议栈的系统运行时遵循一个轮询的过程，以物理层为优先级，接着依次是介质层、网络层、硬件层和应用层。每一层都有一个或几个ID号，Z瞫tack轮询代码如下。
　　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通信程序设计
　　ZigBee网关的GPRS模块部分用到了动态域名解析技术，为了实现动态域名解析，使用花生壳DNS服务来绑定域名和动态IP地址［8］。本系统使用的是GU900的GPRS模块，上电GPRS模块后，首先必须配置GPRS的AT命令，其中包括对GU900模块的短信功能还是上网模式的选择，对TCP/IP连接还是UDP连接的配置，远程服务器IP地址或者是域名的配置以及透传模式的切换等；在正确建立了TCP连接之后，等待远程Socket发来采集数据请求；收到请求之后STM32和CC2530就开始采集数据，采集完毕将数据从GPRS送出。
　　下面是GU900设置AT指令进入无线透传的部分代码，需要对一些参数进行初始化：
　　AT+CSTT="CMNET" //设置APN
　　AT+CIPCFG=1，50，0//对GU900进行初始化配置
　　AT+CIPPACK=0，"00"//设置网络心跳包的格式
　　AT+CIPMUX=0//设置GU900是在单链接模式下工作
　　AT+CIPMODE=1//进入透传模式
　　CIPSCONT=0，"TCP","www.smugenius.com"，8080，2//设置成TCP模式，并且以域名的形式进行访问，端口号设置为8080
　　2.4系统测试
　　本测试过程中，选取了起重机刚提起物块的这段时间。通过温度传感器和压力传感器将数据传送给协调器，再由GPRS输出，由系统的3个节点在互联网平台的监测界面可知，主泵压力大约为12 MPa，卷扬机起升压力为10 MPa左右，另外，此时油温为50℃左右。
3结论
　　当前基于ZigBee技术的无线传感器网络受到越来越多的关注，应用也愈加广泛。本文针对工程机械监测系统中无线网络的要求，综合考虑实际应用中的成本和要求，研究并实现了基于ZigBee网络与GPRS模块进行信息交换的网关系统。
　　本文的创新点：（1）运用ZigBee无线采集网络对工程机械作业时的各项参数进行采集，相比较常规的有线监测方法，ZigBee的测点选择更加灵活，约束更少；（2）ZigBee网络结合GPRS模块组成ZigBee网关，通过网关来与远程服务器通信，传送采集数据，方便工作人员随时随地掌握设备工作情况。
　　参考文献
　　［1］ 朱福民，刘炎民，朱英翔.基于ZigBee无线传感网络的人体动作信息采集平台设计［J］.微型机与应用,2014,33(8):1921.
　　［2］ 谢小芳,黄俊,谭成宇.基于RFID的电力温度监控系统的软件与设计［J］.电子技术应用,2013,39（1）:2326.
　　［3］ 李红, 杨兆建, 李娟莉. 基于 GPRS 的矿井提升机制动系统故障远程监测诊断系统研究［J］. 机械管理开发, 2012（1）: 2427.
　　［4］ 章伟聪, 俞新武, 李忠成. 基于 CC2530 及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点［J］.计算机系统应用，2011，20（7）：181187.
　　［5］ 张久朋, 王喆, 史洪玮. 基于 TD睸CDMA 的ZigBee接入网关的设计［J］. 江汉大学学报 (自然科学版), 2011, 39(1): 5759.
　　［6］ 金福宝. 基于GPRS的桥梁远程监测系统的研究［D］. 哈尔滨：东北林业大学, 2007.
　　［7］ 张久朋, 王喆, 史洪玮. 基于 TD睸CDMA 的ZigBee接入网关的设计［J］. 江汉大学学报 (自然科学版), 2011, 39(1): 5759.
　　［8］ 王风. 基于 CC2530 的ZigBee无线传感器网络的设计与实现［D］. 西安：西安电子科技大学, 2012.