基于ZigBee、GPRS和TCP/IP協(xié)議的無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)*

項(xiàng)雷軍

（華僑大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，福建 廈門361021）

隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種多學(xué)科交叉技術(shù)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。ZigBee技術(shù)是一種具有近距離、低速率、低功耗、雙向數(shù)據(jù)傳輸、可以自組網(wǎng)等特點(diǎn)的高可靠個域網(wǎng)無線通信標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。在工業(yè)控制、醫(yī)療健康、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、樓宇自動化、智能電網(wǎng)等眾多領(lǐng)域，基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都具有很好的應(yīng)用價值和發(fā)展前景[2-3]。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)有多種方法，設(shè)計(jì)方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，難易程度和成本開支存在差異。本文所介紹的基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)通過GPRS將互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器連接在一起，通過互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。且該系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和基于TCP/IP協(xié)議的互聯(lián)網(wǎng)的有機(jī)融合，網(wǎng)關(guān)GPRS從網(wǎng)絡(luò)中分配到一個IP地址，使整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)中的一臺“計(jì)算機(jī)”[4-5]。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)較為容易，且成本低廉，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制、智能電網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)具有很好的參考價值。

1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee是由ZigBee聯(lián)盟在IEEE 802.15.4的物理層（PHY）和媒體介質(zhì)訪問層（MAC）基礎(chǔ)上增加網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和 應(yīng) 用層(APL)等所形 成 的 協(xié)議體系 結(jié) 構(gòu)[2，6]。 在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在兩種設(shè)備，即全功能設(shè)備（FFD）和精簡功能設(shè)備（RFD）。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器必須是FFD，而終端節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹狀網(wǎng)絡(luò)。

本系統(tǒng)主要是由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程服務(wù)器組成，系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)選用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)是整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的控制中心，它由以CC2430為處理器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、8位單片機(jī)C8051F120、GPRS模塊、電源模塊及其他外圍電路所構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是連接在互聯(lián)網(wǎng)中具有公網(wǎng)IP地址的一臺個人計(jì)算機(jī)，在該臺計(jì)算機(jī)中安裝有基于Visual C++開發(fā)環(huán)境所設(shè)計(jì)開發(fā)的帶有Access數(shù)據(jù)庫的控制軟件。

2 硬件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)無線網(wǎng)關(guān)的主要功能是將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)連接起來，使得通過互聯(lián)網(wǎng)可以監(jiān)控ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)，通過該網(wǎng)關(guān)也可以對Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。該無線網(wǎng)關(guān)的硬件主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、GPRS模塊和C8051F120微處理器組成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的核心芯片選擇TI公司生產(chǎn)的CC2430單片機(jī)，GPRS模塊選用的是 SIM300模塊，C8051F120單片機(jī)是美國Silicon Laboratories公司的產(chǎn)品。

CC2430是由一顆高性能、低功耗的8051單片機(jī)內(nèi)核和符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz的無線電收發(fā)機(jī)組成[7]。CC2430的閃存根據(jù)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(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(tǒng)型的8位MCU，具有64個數(shù)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(nèi)RAM；兩個串行通信接口，分別是UART0和UART1，在此系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中這兩個串行端口對數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸起到關(guān)鍵作用。

SIM300是一款內(nèi)嵌了TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議、可以通過標(biāo)準(zhǔn)的AT指令進(jìn)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(lián)網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)建立基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)連接，該模塊還具有短信息和語音通話功能，非常適合應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控和樓宇自動化等領(lǐng)域。

該系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示，C8051F120與SIM300之間的通信基于RS232串口通信協(xié)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(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器之間的通信同樣基于RS232串口通信協(xié)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(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(yīng)該與接收方的RX連接，RX應(yīng)該與發(fā)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(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的連接也要交叉連接。在該網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)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(wǎng)關(guān)的這三部分的地要連接在一起。

通過中間的C8051F120對網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GPRS之間的雙向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以使協(xié)調(diào)器不會因?yàn)镚PRS的握手協(xié)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(wǎng)絡(luò)這一端，從而提高網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的運(yùn)行穩(wěn)定性并且使ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)具有良好的可擴(kuò)展性。

3 軟件編程

網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)是在網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上展開的。根據(jù)前面的硬件設(shè)計(jì)，程序設(shè)計(jì)可以分為兩個部分：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)和基于C8051F120的程序設(shè)計(jì)。GPRS模塊的操作屬于C8051F120的程序處理范疇。

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制中心，在Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中處于核心地位。整個系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的作用主要分為兩個方面：(1)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)；(2)連接ZigBee網(wǎng)絡(luò)與C851F120，使二者之間互相通信。具體而言，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)，為網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)分別分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制和采集相關(guān)節(jié)點(diǎn)信息。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)并打包傳輸給C8051F120，由C8051F120做進(jìn)一步處理。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與C8051F120之間的通信是基于RS232串口通信協(xié)議的串口通信。ZigBee協(xié)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(xié)調(diào)器與C8051F120通信的波特率。系統(tǒng)開發(fā)過程中，選用Z-Stack的例程SimpleApp并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)器和ZigBee節(jié)點(diǎn)的程序，此舉可節(jié)省較多開發(fā)時間。協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)時，與串口通信相關(guān)的一些參數(shù)應(yīng)在sapi.h文件中定義，而初始化部分應(yīng)放在sapi.c中的初始化函數(shù) SAPI_Init(byte task_id)中，當(dāng)協(xié)調(diào)器開始工作時即可初始化CC2430的串口通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開始工作時是從協(xié)議棧的ZMain.c文件中的主函數(shù)main(void)開始運(yùn)行的，在此過程中需調(diào)用os-al_int_disable(INTS_ALL)關(guān)中斷，再調(diào)用協(xié)議棧各層的初始化函數(shù)及CC2430片上資源的初始化函數(shù)進(jìn)行初始化，初始化之后調(diào)用 osal_int_enable(INTS_ALL)允許中斷。最后程序通過osal_start_system()進(jìn)入?yún)f(xié)議棧的任務(wù)操作系統(tǒng)。該函數(shù)是協(xié)議棧操作系統(tǒng)的主循環(huán)函數(shù)，進(jìn)入該函數(shù)后將不再返回。在操作系統(tǒng)的運(yùn)行過程中如果有事件產(chǎn)生將調(diào)用函數(shù)task_event_processor()對事件進(jìn)行處理。

系統(tǒng)開發(fā)過程中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)的程序是在同一個工程中進(jìn)行開發(fā)的，即Z-Stack中的sapi.c文件和sapi.h文件是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器程序和終端節(jié)點(diǎn)程序共同調(diào)用的，故在這兩個文件中單獨(dú)涉及到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和單獨(dú)涉及到終端節(jié)點(diǎn)的程序部分應(yīng)分別存入各自的條件編譯程序塊中。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序運(yùn)行流程圖如圖3所示。

3.2 基于C8051F120的程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，C8051F120是一個很重要的中間件，它將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)中的遠(yuǎn)程服務(wù)器連接起來，使得管理員可以通過服務(wù)器的控制軟件或其他客戶端控制軟件對ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)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(lián)網(wǎng)中的遠(yuǎn)程服務(wù)器建立連接，這樣管理員才可以通過遠(yuǎn)程服務(wù)器上的控制軟件對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。這一步非常重要，如果不與服務(wù)器建立連接，則管理員就無法通過服務(wù)器上的控制軟件對ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。根據(jù)系統(tǒng)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(shè)計(jì)用到兩個串口通信，串口通信的數(shù)據(jù)收發(fā)均通過中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)[8]。C8051F120總共有20個中斷源。在中斷系統(tǒng)中，UART0的中斷優(yōu)先級是4，UART1的中斷優(yōu)先級是20，即 UART0的優(yōu)先級比UART1高。系統(tǒng)選用外部22.118 4 MHz晶振經(jīng)鎖相環(huán)二倍頻后，產(chǎn)生50 MHz時鐘源。Timer2通過16位自動重裝載模式設(shè)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(shè)置115 200 bit/s的波特率作為UART1波特率，這個波特率與協(xié)調(diào)器的波特率相匹配。該部分的設(shè)置均采用Silicon Laboratories IDE集成開發(fā)環(huán)境來編程實(shí)現(xiàn)。C8051F120的程序運(yùn)行流程圖如圖4所示。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信屬于通過GPRS進(jìn)行的基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信，受移動網(wǎng)絡(luò)的影響，因此系統(tǒng)通信容易產(chǎn)生時滯，多次發(fā)送的數(shù)據(jù)集中在同一時間接收，易產(chǎn)生誤控制及數(shù)據(jù)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(xié)議：從服務(wù)器端發(fā)送來的控制指令的格式為0xAA+節(jié)點(diǎn)序號+節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址+指令+0xAA，總字節(jié)數(shù)是6 B。如果C8051F120從GPRS接收到的數(shù)據(jù)不符合這種數(shù)據(jù)格式，則對這樣的數(shù)據(jù)不做處理，直接從緩存中刪除。C8051F120從網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器接收到的數(shù)據(jù)幀也是由固定的幀頭和幀尾以及中間的相關(guān)數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)幀的格式是0xFF+（節(jié)點(diǎn)序號+節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址+節(jié)點(diǎn)狀態(tài)）+…+（節(jié)點(diǎn)序號+節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址+節(jié)點(diǎn)狀態(tài)）+0xFF。C8051F120接收到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)時，則轉(zhuǎn)到UART1串口通信的中斷服務(wù)子程序進(jìn)行處理，要處理的內(nèi)容包括判斷數(shù)據(jù)幀的幀頭、幀尾、總字節(jié)數(shù)等。如果中間的數(shù)據(jù)判斷有哪個與程序設(shè)計(jì)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(zhí)行程序。在程序的運(yùn)行過程中，C8051F120每完成一個任務(wù)都會用一個相應(yīng)的全局變量來標(biāo)志，以便作為下一個環(huán)節(jié)程序處理依據(jù)。例如變量InitOrRun，當(dāng)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(tǒng)正常運(yùn)行階段。

ZigBee技術(shù)在各種監(jiān)測與控制領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越廣泛，根據(jù)系統(tǒng)的要求以及特定通信協(xié)議設(shè)計(jì)一個網(wǎng)關(guān)，把不同的通信協(xié)議組合或轉(zhuǎn)換，是一項(xiàng)非常重要的工作，對系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用。本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)不僅可以將基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為監(jiān)控ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的控制指令，也可以將ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器和客戶端計(jì)算機(jī)。此網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案中單片機(jī)C8051F120的程序稍作修改即可應(yīng)用于類似的系統(tǒng)中，例如工業(yè)控制、智能家居、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、環(huán)境監(jiān)測、煤礦安全等。

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