朱福民，沈宇華，江　磊

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306)

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工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

朱福民，沈宇華，江磊

(上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306)

以工程機(jī)械為對象，研究并設(shè)計了一個基于ZigBee無線采集網(wǎng)絡(luò)和GPRS遠(yuǎn)程通信的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)由ZigBee協(xié)調(diào)器模塊以及GPRS模塊組成，以STM32為網(wǎng)關(guān)的核心控制器，并對ZigBee協(xié)調(diào)器和GPRS模塊分別進(jìn)行選型、硬件及軟件設(shè)計。實現(xiàn)整個實時監(jiān)測系統(tǒng)需要的相關(guān)技術(shù)有：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS、TCP/IP通信技術(shù)、Z-stack協(xié)議棧。

工程機(jī)械；ZigBee網(wǎng)關(guān)； 遠(yuǎn)程監(jiān)測；GPRS；Z-stack

引用格式：朱福民，沈宇華，江磊. 工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(16)：50-52.

0　引言

工程機(jī)械是國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要裝備，在工業(yè)建設(shè)中占有舉足輕重的地位。我國的工程機(jī)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(jī)械強(qiáng)國。因此我國對工程機(jī)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(luò)和嵌入式系統(tǒng)等技術(shù)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(shù)，其中以低成本、低功耗、低復(fù)雜度為特色的ZigBee技術(shù)脫穎而出[1]。

本文研究了一種應(yīng)用在工程機(jī)械遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的ZigBee無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方法[2]。通過將ZigBee無線網(wǎng)關(guān)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(yùn)行參數(shù)[3]。這些數(shù)據(jù)包將由ZigBee網(wǎng)關(guān)通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，并在客戶端界面進(jìn)行實時呈現(xiàn)[4]。

圖1為基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。

圖1　基于ZigBee無線網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

1　ZigBee網(wǎng)關(guān)模塊硬件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)關(guān)的作用就是將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)的一個通道，沒有這個通道，終端設(shè)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(yuǎn)端服務(wù)器。本文將要實現(xiàn)的ZigBee結(jié)合GPRS的網(wǎng)關(guān),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(shè)計[5]。相比較其他的ZigBee解決方案，CC2530被當(dāng)做一款主推的新型系統(tǒng)級芯片而得到了廣泛的應(yīng)用，是一款真正意義上的ZigBee體系架構(gòu)解決方案。如圖2所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負(fù)責(zé)將底層網(wǎng)絡(luò)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(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程服務(wù)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(yuǎn)程服務(wù)器，將遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)送至網(wǎng)關(guān)的指令送至STM32核心芯片進(jìn)行處理。

本文選用的中央處理器是意法半導(dǎo)體 (STMicroelectronics) 的STM32F103VCT6，這款芯片是基于STM32設(shè)計的一款加強(qiáng)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(qiáng)型芯片的時鐘頻率可達(dá)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(guān)核心模塊，可以發(fā)現(xiàn)幾個模塊主要是通過串口通信。

圖2　ZigBee網(wǎng)關(guān)核心模塊

GPRS模塊是網(wǎng)關(guān)的另一個重要部分，由CC2530做協(xié)調(diào)器來開啟網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，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(lǐng)先的OPENAT工作方式，用戶可以根據(jù)自己的需求來自定義應(yīng)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。

2　ZigBee網(wǎng)關(guān)模塊軟件設(shè)計

2.1網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)流程設(shè)計

ZigBee的網(wǎng)關(guān)設(shè)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(fù)責(zé)建立無線采集網(wǎng)絡(luò)，GPRS模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)和外界網(wǎng)絡(luò)的通信，協(xié)調(diào)器和GPRS之間用串口通信[7]。整個網(wǎng)關(guān)的工作流程如圖3所示。

圖3　 ZigBee網(wǎng)關(guān)整體工作流程

2.2ZigBee協(xié)議的設(shè)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(zhì)訪問層(MAC)，其等效于數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)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(zhì)訪問層則負(fù)責(zé)一切物理層的無線信道訪問，產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)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(zhì)訪問層之上的，它主要實現(xiàn)了對網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的支持。除了ZigBee體系結(jié)構(gòu)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(yùn)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(zhì)層、網(wǎng)絡(luò)層、硬件層和應(yīng)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(shè)計

ZigBee網(wǎng)關(guān)的GPRS模塊部分用到了動態(tài)域名解析技術(shù)，為了實現(xiàn)動態(tài)域名解析，使用花生殼DNS服務(wù)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(yuǎn)程服務(wù)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(yuǎn)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(shè)置AT指令進(jìn)入無線透傳的部分代碼，需要對一些參數(shù)進(jìn)行初始化：

AT+CSTT="CMNET"

//設(shè)置APN

AT+CIPCFG=1，50，0

//對GU900進(jìn)行初始化配置

AT+CIPPACK=0，"00"

//設(shè)置網(wǎng)絡(luò)心跳包的格式

AT+CIPMUX=0

//設(shè)置GU900是在單鏈接模式下工作

AT+CIPMODE=1

//進(jìn)入透傳模式

CIPSCONT=0，"TCP","www.smugenius.com"，8080，2

//設(shè)置成TCP模式，并且以域名的形式進(jìn)行訪問，端口號設(shè)置為8080

2.4系統(tǒng)測試

本測試過程中，選取了起重機(jī)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(yáng)機(jī)起升壓力為10 MPa左右，另外，此時油溫為50℃左右。

3　結(jié)論

當(dāng)前基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)受到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用也愈加廣泛。本文針對工程機(jī)械監(jiān)測系統(tǒng)中無線網(wǎng)絡(luò)的要求，綜合考慮實際應(yīng)用中的成本和要求，研究并實現(xiàn)了基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS模塊進(jìn)行信息交換的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。

本文的創(chuàng)新點：(1)運(yùn)用ZigBee無線采集網(wǎng)絡(luò)對工程機(jī)械作業(yè)時的各項參數(shù)進(jìn)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(luò)結(jié)合GPRS模塊組成ZigBee網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)來與遠(yuǎn)程服務(wù)器通信，傳送采集數(shù)據(jù)，方便工作人員隨時隨地掌握設(shè)備工作情況。

[1] 朱福民，劉炎民，朱英翔.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的人體動作信息采集平臺設(shè)計[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(8):19-21.

[2] 謝小芳,黃俊,譚成宇.基于RFID的電力溫度監(jiān)控系統(tǒng)的軟件與設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2013,39(1):23-26.

[3] 李紅, 楊兆建, 李娟莉. 基于 GPRS 的礦井提升機(jī)制動系統(tǒng)故障遠(yuǎn)程監(jiān)測診斷系統(tǒng)研究[J]. 機(jī)械管理開發(fā), 2012(1): 24-27.

[4] 章偉聰, 俞新武, 李忠成. 基于 CC2530 及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20(7)：181-187.

[5] 張久朋, 王喆, 史洪瑋. 基于 TD-SCDMA 的ZigBee接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版), 2011, 39(1): 57-59.

[6] 金福寶. 基于GPRS的橋梁遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研究[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué), 2007.

[7] 張久朋, 王喆, 史洪瑋. 基于 TD-SCDMA 的ZigBee接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計[J]. 江漢大學(xué)學(xué)報 (自然科學(xué)版), 2011, 39(1): 57-59.

[8] 王風(fēng). 基于 CC2530 的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 西安：西安電子科技大學(xué), 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(wǎng)絡(luò)，嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，工程機(jī)械的設(shè)計、制造和應(yīng)用。

沈宇華(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：工程機(jī)械的設(shè)計、制造和應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

江磊(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：工程機(jī)械的設(shè)計、制造和應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。