ZigBee與GPRS的遠程數據采集系統設計

曹幼霖

（成都信息工程學院 通信工程學院，成都 610225）

曹幼霖（碩士研究生），主要研究方向為無線傳感器網絡。

引 言

ZigBee是一種短距離、低速率無線網絡技術，具有低功耗、低成本、易于組網、高可靠性等優點，在諸多場合有著廣泛應用［1］，但ZigBee僅作為現場數據采集與控制的局域網，覆蓋區域十分有限，難以滿足當前遠距離數據采集與控制的需求。本文所設計的遠程數據采集系統采用ZigBee與GPRS技術實現了遠程的數據采集與控制［2］，并結合嵌入式Web Server與RFID射頻識別方案，實現了通過瀏覽器和射頻識別卡進行關鍵配置數據修改和臨時系統控制，具有較高的安全性與靈活性。另外，現場數據采集端的設備與數據接收／控制端的設備在硬件上具有較高的重復利用度。

1 系統結構設計

整個系統主要由ZigBee節點、GPRS模塊、嵌入式Web Server以及PN532［3］RFID模塊4個部分構成。其中ZigBee節點采用TI公司的CC2530［4］方案實現，應用于現場的無線組網與數據采集、控制，ZigBee網絡中的終端節點將采集到的數據通過自組織網絡匯集到協調器節點；GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A［5］模塊、ST公司的STM32［6］MCU，以及其他必要外圍電路組成，負責將數據轉發至控制終端，建立與固定IP的TCP／UDP連接；嵌入式 Web Server采用TI公司的LM3S9D92［7］實現，通過嵌入式Web Server對整個系統進行基本管理、數據顯示，并將ZigBee網絡中協調器節點采集的數據或GPRS模塊輸出的數據雙向轉發；PN532RFID模塊由LM3S9D92驅動，實現修改、配置系統關鍵信息前的授權認證管理（身份識別），以保證系統信息不被惡意篡改。整個遠程數據采集系統結構如圖1所示。

圖1 遠程數據采集系統結構框圖

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee節點

ZigBee網絡節點采用CC2530F256進行設計，工作在2.4GHz頻段，是符合IEEE 802.15.4規范的SoC解決方案。片內集成高速8051內核，支持ZigBee2007PRO協議棧；具有2～3.6V的供電范圍以及良好的電源管理功能，可實現較低的運行功耗。實際電路設計采用核心板與擴展底板結合的方式，核心板引出CC2530最小系統，未使用的GPIO供擴展底板使用，在擴展底板上實現了三線制RS－232串口、指示LED、調試接口，以及其他必備外部應用電路。

2.2 GPRS模塊

GPRS模塊通信部分采用了SIMCOM公司的SIM900A模塊，SIM900A模塊是專門面向中國大陸市場設計的雙頻GSM／GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1800MHz，可以自動地搜尋兩個頻段，內嵌完整TCP／IP協議。微控制器采用ST公司的STM32F103C8［6］，該芯片具有雙串口和一個硬件SPI接口，十分符合本系統GPRS模塊使用要求，且具有較高的性價比，使用SPI Flash W25X16作為外部掉電存儲器記錄GPRS模塊相關配置信息。

2.3 嵌入式Web Server與PN532RFID模塊

嵌入式Web Server采用TI公司推出的LM3S9D92 Cortex－M3MCU實現，該芯片集成以太網 MAC＋PHY接口，可直接連接含網絡變壓器的RJ45接口，大大簡化了以太網部分的外圍電路，十分符合設計需求。RFID模塊部分采用NXP公司PN532的解決方案，PN532是一個高度集成的非接觸讀寫芯片，它包含80C51微控制器內核，支持ISO／IEC 14443A／Mifare非接觸式智能卡讀寫，同時還具有集成了NFCIP－1的RF接口，傳輸速率高達424 Kb／s，便于系統后期實現與NFC設備進行點對點通信等功能。LM3S9D92使用GPIO模擬SPI與PN532進行通信。嵌入式Web Server主要部分接口連接示意圖如圖2所示。

圖2 嵌入式Web Server主要部分接口連接示意圖

3 系統軟件設計

系統采用C語言進行開發，開發環境為Realview MDK（Keil for ARM），并使用廠商所提供的片上資源驅動、庫函數和第三方組件。系統軟件設計分為3大主要部分：ZigBee網絡數據采集部分、GPRS模塊通信部分和嵌入式Web Server部分。整個系統主要流程如圖3所示。

圖3 系統主程序流程圖

系統數據采集主要通過查詢方式進行，由遠程監控端發出查詢請求后，現場數據采集系統才進行數據采集、傳輸或其他響應。查詢請求到達ZigBee網絡的協調器端后，協調器在網絡內部通過單點傳送的方式與各個終端節點進行通信。

由于現場數據采集部分的GPRS模塊與數據中心的GPRS模塊功能有所區別，可通過設定全局標志位GPRS＿Module＿Role為0或1來指定GPRS模塊為現場數據采集GPRS模塊還是數據中心（即接收端）的GPRS模塊。現場數據采集GPRS模塊為了保持連接還需在空閑時間發送心跳包。與遠程IP建立連接的相關任務全部由GPRS模塊中的STM32F103C8完成，并將配置信息寫入SPI Flash中，外部數據可直接通過GPRS模塊的串口發送。若與數據中心IP連接出現連續3次錯誤（錯誤次數可設定），現場數據采集GPRS模塊將通過固定內容短信的方式告知數據中心的GPRS模塊，數據中心的GPRS模塊通過回應固定內容的短信對遠程控制單元實現緊急處理。

嵌入式Web Server部分主要負責將數據通過串口轉發至GPRS模塊或者上位機，并實現現場監控計算機可通過瀏覽器對監控網頁進行訪問和在LCD端顯示數據采集信息，嵌入式Web Server主要通過公共網關接口CGI以及服務器端嵌入標簽SSI Tag實現對外網頁表單數據的更新與獲取［8］。同時，監控計算機進入系統配置更改前，需通過串口發送字符“authenticated＿id＿loop”（也可自定義為其他）到LM3S9D92串口1，特定字符串檢測主要是通過函數strstr（pstr，“authenticated＿id＿loop”）實現，其中pstr為待檢測字符串地址，檢測到目標字符串后返回該位置的指針，否則返回空指針。LM3S9D92串口接收中斷流程中檢測到目標字符串后，將循環執行PN532讀卡函數PN532＿readPassiveTargetID（PN532＿MIFARE＿ISO14443A，＆uid［0］，＆uidLength）3次，當讀取到特定ID后跳出該循環，并將變量Authenticated＿ID＿OK置1，表明通過IC卡認證流程，可繼續執行系統配置。

4 測試結果

圖4 現場嵌入式Web Server監控端以及LCD信息顯示

通過對4個ZigBee終端節點I／O口P1.0控制的LED狀態進行了采集和控制，并在嵌入式Web Server端及其LCD上顯示其開關狀態，可通過網頁中的復選框對I／O狀態實現控制，具體如圖4所示。嵌入式Web Server端還分別在 Windows以及Ubuntu／Linux操作系統下使用系統自帶瀏覽器進行了測試，均可正常使用，現場監控計算機接入系統十分方便。另外，測試了修改系統關鍵信息時的安全性，更改數據采集端的GPRS模塊短信報警號碼時，系統進行了身份認證，通過讀取卡號識別到程序內已存的管理員1、2的信息，通過串口輸出調試信息。

結 語

本設計以ZigBee網絡和GPRS模塊為中心，結合ZigBee以及GPRS無線通信技術，使得遠程數據采集與控制更易實現。經實際測試，采集和控制各個ZigBee節點CC2530P1.0引腳輸出狀態，運行結果能夠到達預期效果。另外，本系統還可根據實際情況在各個ZigBee終端節點添加其他數據采集電路，實現更加強大的功能或拓展網絡結構，因此，本文設計的遠程數據采集系統具有較高的實用參考價值。

［1］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2009.

［2］何賽，陳小平.GPRS與ZigBee的城市照明系統網關設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2012（1）：27－29，41.

［3］NXP Semiconductors.PN532Short form data sheet［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.cn.nxp.com.

［4］Texas Instruments.CC2530Datasheet［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.ti.com.

［5］SIMCOM.SIM900A模塊 AT命令手冊 V1.02［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.sim.com.

［6］ST.STM32F100xB Datasheet［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.st.com.

［7］Texas Instruments.Stellaris LM3S9D92MCU Datasheet［EB／OL］.［2012－10－25］.http：／／www.ti.com.

［8］索明何，饒運濤，刑海霞.基于單片機的嵌入式 Web服務器設計與實現［J］.科技廣場，2008（5）：185－186.