朱福民，沈宇华，江　磊

(上海海事大学 物流工程学院，上海201306)



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)

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-stack协议栈。

工程机械；ZigBee网关； 远程监测；GPRS；Z-stack

引用格式：朱福民，沈宇华，江磊. 工程机械远程监测系统中ZigBee网关的设计[J].微型机与应用，2016,35(16)：50-52.

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。

图1　基于ZigBee无线网关远程监测系统示意图

1　ZigBee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-M3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。

图2　ZigBee网关核心模块

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。

2　ZigBee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。

图3　 ZigBee网关整体工作流程

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-stack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-stack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-stack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-stack轮询代码如下。

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。

[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):19-21.

[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):23-26.

[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): 24-27.

[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)：181-187.

[5] 张久朋, 王喆, 史洪玮. 基于 TD-SCDMA 的ZigBee接入网关的设计[J]. 江汉大学学报 (自然科学版), 2011, 39(1): 57-59.

[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-SCDMA 的ZigBee接入网关的设计[J]. 江汉大学学报 (自然科学版), 2011, 39(1): 57-59.

[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.

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：无线传感器网络，嵌入式系统的设计与开发，工程机械的设计、制造和应用。

沈宇华(1991-)，男，硕士研究生，主要研究方向：工程机械的设计、制造和应用，无线传感器网络。

江磊(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向：工程机械的设计、制造和应用，无线传感器网络。