融合GPRS技術(shù)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)

摘要：ZigBee是一種低成本低速率低功耗的雙向無線通訊標(biāo)準(zhǔn)，CPRS是基于GSM的一種低成本高效率數(shù)據(jù)包通訊協(xié)議。文章闡述了基于ZigBee和GPRS融合的WAN-LAN通訊系統(tǒng)，并且提出了一種可以實(shí)現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)結(jié)合了CAN總線通訊協(xié)議，可以用于工業(yè)控制領(lǐng)域，并且具備低成本傳送距離長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：通用分組無線業(yè)務(wù)；ZigBee

O 引言
    隨著通訊技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的信息和控制傳送的方式正在被新的技術(shù)所取代，有線的非功率傳送的通訊和控制系統(tǒng)由于線路安裝和維護(hù)的成本高昂，隨著時(shí)間的推移可靠性更加難以保證，而且網(wǎng)絡(luò)的組織一經(jīng)安裝完畢就不可更改，除非再次布網(wǎng)，而無線的通訊和控制傳送網(wǎng)絡(luò)由于低成本、低功耗、組網(wǎng)方便正日益得到廣泛的應(yīng)用。
    短距離無線通訊的歷史發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)是近十幾年的事，目前正在成為無線通信技術(shù)的一大熱點(diǎn)，表1列出了正在使用的幾種主要標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展時(shí)間表和主要特點(diǎn)：

    紅外技術(shù)成本較低，具有很好的安全性和抗干擾性，但是傳輸距離較短且為視距傳播，無法組網(wǎng)。Wi-Fi傳輸速率高、傳輸距離遠(yuǎn)，可以實(shí)現(xiàn)小范圍的組網(wǎng)，但是Wi-Fi的802．11的射頻和基帶協(xié)議較為復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)成本高、功耗大，實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用困難。Home RF的共享協(xié)議主要是側(cè)重于PC及其外設(shè)，成本較高，抗干擾性較差。藍(lán)牙的技術(shù)比較復(fù)雜，應(yīng)用系統(tǒng)費(fèi)用高、功耗高、產(chǎn)品的互操作性還未得到很好的解決。而zigBee的成本低、功耗低，可以勝任Wi-Fi無法勝任的領(lǐng)域，可以補(bǔ)充藍(lán)牙技術(shù)達(dá)不到的低速率長(zhǎng)距離的技術(shù)盲區(qū)。
    GPRS(通用分組無線服務(wù))是一整套基于全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM的包模式通信服務(wù)，GPRS用戶以一種低成本有效利用GSM網(wǎng)絡(luò)的非接入方式的通信，具備以下特性：
    ·間歇的非周期性發(fā)送，發(fā)送間隔時(shí)間一般大于傳輸時(shí)延
    ·頻繁傳送低容量數(shù)據(jù)
    ·傳送高容量數(shù)據(jù)不頻繁
    GPRS通信中有兩種服務(wù)方式，一種為點(diǎn)到點(diǎn)的服務(wù)方式PTP，一種是點(diǎn)到多點(diǎn)的服務(wù)方式PTM。

1 ZigBee簡(jiǎn)介
    ZigBee是英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦公司于2002年10月共同提出的一種新的短距離低速率無線通信技術(shù)，ZigBee由IEEE 802．15．4小組和ZigBee聯(lián)盟兩個(gè)組織制訂，ZigBee的意思是模仿蜜蜂的ZigZag通訊。ZigBee的通信協(xié)議分
為六層，其中網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee聯(lián)盟制訂，數(shù)據(jù)鏈路層(包括LLC和MAC)和物理層由802．15．4小組制訂。ZigBee的連接時(shí)延一般在大約15ms到30ms之間，使用的工作頻段分別為2．4G(全球通用)、868MHz(歐洲)和915MHz(美國)，均為免執(zhí)照頻段。
    ZigBee的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備三類。其中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器最復(fù)雜，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點(diǎn)、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由和接收信息。全功能設(shè)備(FFD)擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者形成網(wǎng)絡(luò)，然后讓其他的精簡(jiǎn)功能裝置(RFD)聯(lián)結(jié)，可提供雙向傳輸，具備全部IEEE802．15．4的功能和特征，閑時(shí)起到網(wǎng)絡(luò)路由器的功能，也可以做終端設(shè)備。精簡(jiǎn)功能設(shè)備只能傳送信息給FFD和從FFD接收信息，在網(wǎng)絡(luò)中常用作終端設(shè)備，成本較低，一般由簡(jiǎn)單的8位處理器和小協(xié)議棧構(gòu)成。

2 融合GPRS技術(shù)的ZigBee應(yīng)用
    由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的有效通訊范圍一般為10～300m，對(duì)于空間上相對(duì)分布比較分散的單位或者距離較遠(yuǎn)的單位之間，各個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)內(nèi)或網(wǎng)間控制數(shù)據(jù)的傳送往往需要非常遠(yuǎn)的距離，有可能超過ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊的有效距離。而由ZigBee技術(shù)構(gòu)成的局域網(wǎng)本身也存在聯(lián)網(wǎng)的需要。而空間距離非常大的廣域網(wǎng)的運(yùn)行和維護(hù)如果采用數(shù)傳電臺(tái)等用戶系統(tǒng)，不但運(yùn)行和維護(hù)成本較高，所需要的無線電頻段可能還需要申請(qǐng)和付費(fèi)。而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務(wù)就可以節(jié)省大量的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用，目前采用GPRS傳送數(shù)據(jù)每k字節(jié)成本不到一分錢，相對(duì)來說非常經(jīng)濟(jì)。

3 GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)
3．1 GPRS-ZigBee系統(tǒng)簡(jiǎn)介
    GPRS-ZigBee是由多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以通過CAN總線和現(xiàn)場(chǎng)工作單元連接，可以進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算和通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以分為三類：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、網(wǎng)絡(luò)路由器和網(wǎng)絡(luò)終端。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能最強(qiáng)也最復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)路由器一般為
FFD，網(wǎng)絡(luò)終端可以是精簡(jiǎn)功能設(shè)備。簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)可以由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和精簡(jiǎn)功能設(shè)備構(gòu)成，形成星形結(jié)構(gòu)(STAR)，比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)可以有中間層FFD構(gòu)成ZigBee網(wǎng)內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)，形成樹狀網(wǎng)絡(luò)(TREE)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)。本文的GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配備GPRS通訊模塊，可以實(shí)現(xiàn)GPRS-ZigBee系統(tǒng)問的遠(yuǎn)程互連或者和其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程互連。

3．2 本文GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，將本節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)分為四個(gè)模塊，一個(gè)是ZigBee無線收發(fā)模塊，一個(gè)是GPRs收發(fā)模塊，ZigBee模塊功能由Chipcon公司的CCl0O0無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)，GPRS模塊功能由英國Simcom公司的GPRS模塊SIM300實(shí)現(xiàn)，主控模塊由Atmel公司的微型處理器At-Megal28控制，另外有由MCP2515和MCP255l組成的CAN總線控制接口，可幫助調(diào)試的串口和用于數(shù)據(jù)快速上傳下載的USB接口。為了獲得較遠(yuǎn)的傳輸距離，本混合系統(tǒng)的ZigBee無線收發(fā)模塊采用868MHz的收發(fā)頻率，測(cè)試單元采用與計(jì)算機(jī)相連的868MHz無線收發(fā)單元。

    電路電源模塊采用GPRS模塊常用的MIC29302和SPXll17，分別提供4．2V穩(wěn)壓和3．3V穩(wěn)壓，無線收發(fā)模塊芯片CCll00的電源濾波電路根據(jù)Chipcon公司提供的濾波電容電阻電感組合設(shè)計(jì)，對(duì)于不同的收發(fā)頻率有不同的元件組合，入網(wǎng)指示有LED顯示。天線采用和頻率對(duì)應(yīng)的棒狀天線，并且PCB板做有金屬外殼以符合EMC要求。
    CCl000是一種理想的超高頻收發(fā)芯片，它專用于低功率和低電壓類無線產(chǎn)品，此IC主要用于ISM(工業(yè)科學(xué)醫(yī)療)方面和SRD(短距離通訊)方面，工作頻帶分別為315MHz、868MHz和915MHz，但CCl000可以很容易地通過編程使其工作在300～1000MHz。CC1000的FSK數(shù)傳可以達(dá)到72．8kHz。

    SIM300是一種三頻緊湊型封裝GSM／GPRS模塊，可以工作在900／1800／1900MHz頻段，可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語音、短信息和數(shù)據(jù)及傳真通訊，SIM300的特性可以使它理想地用于固定式無線終端，M2M以及手持設(shè)備等應(yīng)用。SIM300模塊通過SIM卡座和SIM卡相連并通過微型天線卡座連接9dB天線，通過此二種外設(shè)實(shí)現(xiàn)SIM300模塊和GSM基站之間的信號(hào)發(fā)送和接收。文章設(shè)計(jì)僅僅使用了SIM300的GPRS功能，該GPRS功能是通過SIM300和主控制器之間的UART通訊實(shí)現(xiàn)的。

    主控制器為AtMegal28處理器芯片，AtMegal28是RISC型的8位微處理器芯片，主頻為16MHz，芯片內(nèi)部有128kN片上FLASH，選擇這個(gè)芯片是因?yàn)檫@個(gè)芯片有足夠大的片上空間可以裝下ZigBee協(xié)議棧。GPRS、zigBee、CAN和USB模塊均接在AtMegal28的中斷輸入引腳上，四級(jí)中斷形成雛菊花鏈?zhǔn)街袛嘟Y(jié)構(gòu)。主控制器芯片的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器可以輔助主控制器和ZigBee芯片之間的控制時(shí)序和協(xié)議棧協(xié)議內(nèi)容的實(shí)現(xiàn)。

    主控制微處理器連接有CAN總線收發(fā)器和CAN總線控制器，它們可以和本地控制單元有線連接，并且通過CAN總線協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，再通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局域數(shù)據(jù)交換或者通過GPRS進(jìn)行廣域數(shù)據(jù)交換。CAN總線模塊采用Microchip公司的MCP2515和MCP2551組合實(shí)現(xiàn)，通過CAN總線模塊可以和本地控制單元實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用工業(yè)控制或者科學(xué)醫(yī)療樓宇自動(dòng)化控制等應(yīng)用，CAN應(yīng)用符合CAN2．0B總線規(guī)范。

    對(duì)于射頻電路來說，器件的相互干擾成為一種敏感的負(fù)面因素，本混合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由于包含了兩種射頻單元因而這個(gè)考慮變得更加重要，在PCB設(shè)計(jì)中，兩個(gè)射頻部分在布線的時(shí)候采取了分開布局的考慮，而且在射頻部分各自加裝了金屬板屏蔽以避免射頻的相互干擾，并在軟件設(shè)計(jì)時(shí)避免兩種射頻的同時(shí)發(fā)射或接收。
    本混合系統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)為RFD器件，RFD器件只進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，并通過CAN總線收發(fā)器和局部控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。RFD器件的收發(fā)頻率和混合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的ZigBee單元的收發(fā)頻率一致，應(yīng)用802．15．4標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)初始化和接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)和數(shù)據(jù)收發(fā)。
3．3 GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)
3．3．1 ZigBee模塊軟件結(jié)構(gòu)
    ZigBee協(xié)議棧是基于OSI模型分層設(shè)計(jì)，分為驅(qū)動(dòng)層、協(xié)議層和應(yīng)用層。驅(qū)動(dòng)層主要提供硬件控制和相應(yīng)的接口，協(xié)議層主要包括基于802．15．4協(xié)議的物理層數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層，應(yīng)用層調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù)，完成系統(tǒng)操作并和其他模塊通訊。
3．3．1．1 驅(qū)動(dòng)層的設(shè)計(jì)
    驅(qū)動(dòng)層的設(shè)計(jì)主要是CCl000的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，CCl000可以由PDATA、PCLK和PALE實(shí)現(xiàn)通信配置，并由DIO和DCLK完成數(shù)據(jù)的傳輸。一個(gè)完整的CCl000配置要求發(fā)送29個(gè)數(shù)據(jù)幀，每個(gè)16位(7個(gè)地址位、1個(gè)讀／寫位和8個(gè)數(shù)據(jù)位)。驅(qū)動(dòng)層的CCl000驅(qū)動(dòng)以及驅(qū)動(dòng)層和協(xié)議層的接口在AtMegal28中軟件實(shí)現(xiàn)。
3．3．1. 2 協(xié)議層的設(shè)計(jì)
    協(xié)議層主要完成網(wǎng)絡(luò)的組成和網(wǎng)絡(luò)成員的管理，其中物理層主要負(fù)責(zé)物理層數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，MAC層主要負(fù)責(zé)幀控制和數(shù)據(jù)校驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建和網(wǎng)絡(luò)成員管理，本設(shè)計(jì)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的星型網(wǎng)絡(luò)，在組建網(wǎng)絡(luò)前網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器首先檢查網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，掃描網(wǎng)絡(luò)信道，發(fā)送組網(wǎng)廣播，通告網(wǎng)絡(luò)的PAN ID以及自己的64位MAC地址，等待網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的連接請(qǐng)求，并依次登錄網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)掃描信道，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出登錄或者離開請(qǐng)求，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將該節(jié)點(diǎn)加入或刪除出網(wǎng)絡(luò)。
    節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入時(shí)搜索信道空閑狀態(tài)，發(fā)送信標(biāo)幀，在接收到多個(gè)帶有鏈路質(zhì)量信號(hào)參數(shù)的信標(biāo)幀后，選取鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點(diǎn)并向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求幀，協(xié)調(diào)器準(zhǔn)許后會(huì)分配網(wǎng)內(nèi)短地址給該節(jié)點(diǎn)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)鄰居表，并且可以對(duì)其動(dòng)態(tài)維護(hù)，在該鄰居表中含有一個(gè)父節(jié)點(diǎn)地址(除了根節(jié)點(diǎn)外)和多個(gè)子節(jié)點(diǎn)地址(除了葉結(jié)點(diǎn)外)，如此依次處理，則所有節(jié)點(diǎn)都登錄形成無線網(wǎng)絡(luò)，同理，一個(gè)節(jié)點(diǎn)離開網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將向其父節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求幀，父節(jié)點(diǎn)在接收到請(qǐng)求后會(huì)將該節(jié)點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)中摘除并向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)幀。

    網(wǎng)內(nèi)傳播的信息幀有四種類型，分別為信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、命令幀和確認(rèn)幀。以通用NWK幀為例，信息幀的格式為：

3．3．2 GPRS模塊設(shè)計(jì)
    GPRS模塊通過GPRS的AT指令集控制GSM和GPRS通信，AT指令集是美國賀氏公司開發(fā)的Modem控制指令集，每個(gè)指令都采取“AT+控制字符串”的形式傳送，指令開始的“AT”字符可以用來在SIM300和AtMegal28之間開始UART通信時(shí)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)波特率設(shè)置。主CPU通過UART控制SIM300的GPRS通信。
3．3．3 CAN模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)的主控CPU通過MICROCIP公司的CAN總線控制器和CAN總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)CAN總線控制，通過CAN總線控制可以實(shí)現(xiàn)本地控制和zigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及GPRS廣域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)控制。
3．3．4 系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過中斷控制協(xié)調(diào)GPRS模塊、ZigBee模塊、CAN總線模塊和USB模塊的工作，中斷的優(yōu)先級(jí)控設(shè)定為GPRS通訊為優(yōu)先級(jí)最高，然后依次是ZigBee通訊、CAN總線通訊和USB通訊。中斷序列的管理采用一種優(yōu)先級(jí)郵箱式的管理，每級(jí)中斷來臨時(shí)都會(huì)向中斷序列郵箱發(fā)送一封郵件，郵件根據(jù)中斷來源具備四種優(yōu)先級(jí)之一，控制器每次中斷來臨時(shí)都會(huì)檢查當(dāng)前中斷是否為中斷序列郵箱中中斷級(jí)別最高的中斷，如果是，則啟動(dòng)該優(yōu)先級(jí)的中斷或者繼續(xù)處理當(dāng)前中斷，如果當(dāng)前中斷不是中斷序列郵箱中中斷級(jí)別最高的中斷，則放棄當(dāng)前優(yōu)先級(jí)中斷并開啟當(dāng)前中斷序列郵箱中級(jí)別最高的中斷?？刂破髟谔幚硗昝總€(gè)中斷后控制器把剛剛處理完的優(yōu)先級(jí)的中斷刪除出中斷序列郵箱，然后在中斷序列郵箱中再次尋找優(yōu)先級(jí)最高的優(yōu)先級(jí)中斷啟動(dòng)或繼續(xù)處理。
    主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器確定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)，通過GPRS在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以信標(biāo)幀的形式發(fā)送，各網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器生成各自的控制令牌，在各網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器管理的子網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照節(jié)點(diǎn)注冊(cè)的順序以時(shí)間平均TDMA的方式在由注冊(cè)節(jié)點(diǎn)組成的環(huán)形隊(duì)列中順序傳送控制令牌，得到控制令牌的節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)，沒有發(fā)送和接收數(shù)據(jù)需要的節(jié)點(diǎn)將被忽略。圖9系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，圖10系統(tǒng)PCB圖。

4 結(jié)束語
    文章提出了一種基于GPRS技術(shù)和ZigBee技術(shù)相融合的無線網(wǎng)絡(luò)，并且提出了以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為核心的硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)采用低功耗的GPRS和ZigBee模塊并以功能較強(qiáng)的微處理器AtMegal28為核心，利用SIM300GPRS模塊的TCP／IP協(xié)議棧和基于Chipcon CCl000的自構(gòu)建的Zig-Bee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)廣域與局域的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，在配合有FFD和RFD節(jié)點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)ZigBee蜂窩通信無線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換，是一種低成本低功耗經(jīng)濟(jì)性適用性都很強(qiáng)的無線通訊網(wǎng)絡(luò)。