基于ZigBee协议的无线通信网关的设计

引 言

ZigBee 技术是一种短距离无线传感器网络和控制协议， 其工作频率为 2.4 GHz，主要用于短距离传输控制信息的无线控制系统，数据量比较小，适合电池供电系统，ZigBee 协议是一种低成本传输手段。

本文旨在完成基于ZigBee 协议的无线通信网关的设计。主要分为硬件电路的设计和 ZigBee、GPRS 网关应用程序的设计。该网关设计特点如下：

(1) 利用 ZigBee网络技术，可实现无线网络的区域监测， 解决现场布线容易老化等问题，提高监控系统的灵活性和可维护性。

(2) 通过 GPRS网络实现与远程监控中心的无线连接， 实现数据监控和无线在线更新，可大量节省人力和物力资源。

(3) 该网关具有普遍适用性，可用于水质监测、环境监测、桥梁安全监测、交通监控、光伏发电等网络应用电站监控系统等，在监控领域有着广泛的应用前景。

(4) 如果将系统终端采集节点监测传感器的类型和监控内容相统一，就可以完成不同领域的监控内容，因此该解决方案是网络应用中一个非常重要的技术问题。

1 总体方案设计

无线通信网关主要通过串口网络采集系统监测到的数据信号，采集数据的 ZigBee 模块的信号通过GPRS 网络模块的无线接口与远程监控中心连接。图 1 所示为该无线通信网关的总体设计框图。

基于ZigBee 协议的无线网关的设计，需要有相关的硬件和软件，硬件采用德州仪器公司生产的完全支持ZigBee 协议的CC2530 芯片，该芯片附带相应的开发包，还有相应的关联Z-Stack 协议栈。系统采用CC2530 芯片作为核心芯片，设计了一个ZigBee/GPRS 网关。作为无线传感器网络的网关和公共移动通信网络进行了很好的联系，实现了信息的有效传输。网关组件如下：

(1) CC2530作为ZigBee的微处理器为系统提供控制器( 增强型C8051) 和 ZigBee射频模块 (2.4GHz)，同时控制其他外设和网关数据的转换；

(2) SIM300/GPRS通讯模块通过串口与CC2530相连， 用于网关与远程PC机的数据通讯；

(3) 外部实时时钟和 E2PROM存储器通过I2C总线与CC2530 相连，分别实现系统定时和一些实时信息数据的存储；

(4) 串行通讯模块与终端采集节点通过无线链路相连接， 实现前端监控数据和控制数据的传输；

(5) 人机界面模块由LCD和按键组成，主要用于数据的现场查看和维护检修。

2 系统硬件设计

2.1 CC2530开发板硬件资源概述

CC2530 单片机是一款完全兼容 8051 内核， 同时支持IEEE802.15.4 协议的无线射频单片机。拥有 256 KB 的Flash， 可实现 ZigBee 协调器、路由器和子节点的功能。核心板主要包括 CC2530 单片机、天线接口、晶振、ADC 接口、RS 232 接口、I/O扩展接口、对应液晶板等。

（1）电源接口：实现开发板供电，CC2530单片机正常工作需要的电压范围为23.6V 。

（8）对应液晶板 ：提供了一个 12864 点阵液晶模块，该模块带有汉字字库，便于数据显示。

2.2 GPRS模块选型及电路设计

SIM300 模块是SIMCOM 公司开发的一个功能强大的嵌入式 TCP/IP 协议栈。用于短信、语音、高速信息数据的传输。传真模块自动上电后，连接到GPRS 网络，建立与数据中心的通信链路，远端用户设备随时与控制中心收发数据。该用户设备的远程站点状态信息通过发送命令发送给单片机控制。SIM300模块和CC2530 连接方式如图 2 所示。说明如下：

(1) 串口1端口有 7根线（包括数据线 /TXD和 /RXD， 状态线 /RTS和/CTS，控制线 /DTR、/DCD和 RING）。

(2) 串口1可用作复合信号拨号传真，GPRS服务和发送控制模块的AT指令。还可使用多路复用功能，但多路复用功能不能同时使用串口 2。

(3)  串口 1 支持 1 200，2 400，4 800，9 600，19 200， 38 400，57 600，115 200 波特率，默认为 115 200 b/s。

(4) 自动波特率支持1 200，2 400，4 800，9 600，19 200， 38 400，57 600，115 200 b/s。

(5) 串口 2端口有两根线（ 只包含数据线 /TXD和 / RXD）。

(6) 串口 2只能用来传送 AT指令，不能用来复合信号拨号、传真，也没有多路复用功能。

(7) 串口2 支持 9 600，19 200，38 400，57 600，115 200 b/s波特率。

2.3 其它电路设计

2.3.1 人机接口电路

本文采用16 3 字符SPI 接口的LCD 屏幕、按键与LED 组成系统人机界面，使用CC2530 的嵌入式增强型 8051 内核作为其控制器。

2.3.2 复位电路

本设计采用按键和 USB 双复位电路， 其中USB_EM_ RESET 用于仿真器控制CC2530 复位。

3 系统软件设计

3.1 总体构成

ZigBee/GPRS 网关软件主要实现ZigBee 协调器的建立和GPRS 网络的建立，并且实现 ZigBee 与GPRS 网络之间的数据转换，其软件流程图如图 3 所示。

首先上电系统初始化，包括ZigBee 网络和GPRS 模块的初始化，初始化完成后，系统进入睡眠，直到检查周期运行到模块处理系统。模块任务周期首先检查是否有GPRS 模块接收到远程监控中心的通讯信号，若有，则 GPRS 模块是执行状态 ；若没有，则直接反应。判断 ZigBee 定时器的时间是否到时。若ZigBee 查询周期的定时器到时，则数据采集和收集监测每个子集合的节点信号工作参数，如果监测信号数据被更新，监测信号数据发送到每个子节点，然后确定是否有一个按键信号，并更新相应的 LCD 显示信息，存储相关数据， 进入睡眠状态。

3.2 ZigBee网络程序设计

ZigBee 协议实现方面已经有许多公司推出了自己的ZigBee 协议栈， 例如 Ember、AirBee、Figure 8 Wireless 等， 其中以 Figure 8 Wireless（F8W）所设计的 Z-Stack 最负盛名， 应用更广。

Z-Stack 包含了网状网络拓扑的几乎全功能的协议栈，在竞争激烈的ZigBee 领域占有重要地位，本设计采用Z-Stack_ CC2530 版本的ZigBee 协议栈进行应用开发。由于Z-Stack 协议栈已经提供了完整的ZigBee2007 协议各层的代码，因此本文对此不再赘述。

3.3 GPRS驱动程序设计

GPRS 在SIM300 模块的工作流程如图 4 所示。

SIM300 嵌入式软件驱动程序主要包括电源模块、SIM300 初始化模块和AT 指令功能模块。

3.3.1 SIM300初始化

将SIM300上电，观察networkled引脚上的网络指示灯， 网络指示灯闪烁频率为64msON/800msOFF，工作状态为SIM300模块寻找GPRS网络，经过一段时间，闪烁频率网络指标为64msON/3000msOFF，说明模块连接到GPRS 网络。时间的长短根据地理位置的信号强度决定，信号强度越高， 等待的时间就越少，一般在12s。SIM300连接到GPRS网络后，SIM300的POWERKEY引脚得到一个大于1500ms 的低脉冲，该脉冲是单片机引脚给出的，作为打开SIM300模块的触发脉冲。

3.3.2 AT指令

AT 指令集是从终端设备（TE）或数据终端设备（DTE） 向终端适配器（TA）或数据电路终端设备（DCE）发送的，通过终端适配器TA，数据终端设备 (TE）发送AT 命令控制移动台（MS）的功能，与 GSM 网络服务进行交互。用户可以通过AT 进行呼叫、电话本、短信、数据业务、文本消息、传真等方面的控制。使用时直接以命令的形式发送字符，接收时间需要等待并判断。

3.3.3 如何使用TCP向远端SERVER传输数据

先要建立一个TCP 连接，模块作为客户端向远程服务器发起一个TCP 连接，成功连接需要客户端连接到的互联网服务器，该服务器的IP 地址是网络的IP 地址（可以用拨号方式获得），运行我们的服务器软件建立 TCP 连接。连接成功后返回 CONNECT OK 信息。然后可以用 AT+CIPSEND 发送数据到服务器，如果服务器有数据，则模块通过串口接收 数据。使用“AT+CIPCLOSE”命令关闭 TCP 连接。

4 利用该网关实现的无线网络水情监测系统 

大型跨流域调水工程从水库的中心取水，分别为三个不 同的基地供水，以解决严重的水资源短缺危机。这样一个具 体的工程一般难以通过架设电缆设备完成监测并实时传输水 文信息，在这种情况下，无线通信的优势变得愈加明显。但在 真实的测量环境中，要测量水位、水压等参数，需要形成多 个测量点的网络。测量多个参数往往需设置在一定的区域内， 用于无线传感器网络的通信建设可以实现距离的可行性，因此 我们结合 ZigBee 和 GPRS 技术的特点，使用之前的通信网关 设计了基于 ZigBee/GPRS 的无线网络水情监测系统，其示意 图如图 5 所示。

该系统具有自组织、短距离、低功耗、远程传输的优势， 每一个水情监测设备设计成一个终端采集节点，形成一定距离的拓扑网络。结合本文设计的无线网关完成远程传输网络的设备监测和终端信息采集。方案通过以上ZigBee 无线通信网关完成了协调器节点和无线通信模块及上位机软件的无线通讯， 实现了监控区域内的无线网络水情监控。

5 结 语

基于无线传感器网络实现水文监测网络的现代化具有一定的现实意义，此举不仅可以满足远程监控测量的基本要求， 还能够实现无线网络化与现代智能化的需求，具有广大的应用前景。