基于GPRS的ZigBee协调器网关设计通信

摘要：介绍了一种可进行远程监测和控制的数据采集系统。多个测控节点组成ZigBee无线传输网络，利用GPRS模块连接因特网扩展传输范围，与基于LabVIEW的上位机程序进行TCP／IP协议通信，从而实现远程监控。下位机设计了数据帧和采集控制指令；协调器网关可对数据进行选择性接收和处理，并实现断线后自动连接；上位机完成对采集数据的解析、显示以及保存，并能发送控制指令。
关键词：ZigBee；GPRS；LabVIEW；TCP／IP协议

0 引言
ZigBee协议是一种基于IEEE 802．15．4标准的低功耗个域网协议，其主要特点是低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率以及低成本，普遍应用于自动控制和测量领域，可以嵌入各种设备，是一种数据传输可靠性高的近距离无线组网通信技术。而GPRS模块则是通过手机终端连接因特网来实现数据的双向传输，它的协议规程体现了无线和网络相结合的特征。因此可以通过GPRS技术来拓展ZigBee测量控制网络的作用范围。目前GPRS的数据传输主要是基于TCP和UDP两种通信协议，其中TCP是面向连接的协议，提供IP环境下的数据可靠传输，适用于可靠性要求比较高的数据通信系统，而UDP不需要建立连接即可开始传输数据，通信效率较高，但可靠度不高，适用于一次只传输少量数据的场合LabVIEW作为一种图形化编程语言开发环境，为学术界、工业界和研究实验室所广泛接受，运用内嵌的TCP／IP网络通信协议组通信，可以直接调用TCP模块完成流程图编写，而无需过多考虑网络底层实现，使用该软件可方便完成上位机测量和控制程序的编制。

1 网络组建整体方案
系统网络组成如图1所示，首先由SHT11数字温湿度传感器和CC2530芯片的ADC通道组成传感器数据输入通道，输入的信息经CC2530芯片采集处理后打包无线发送到协调器节点，然后协调器节点利用串口2将数据发送给STC12C5A32S单片机，单片机将收到的数据进一步处理后，通过另一串口把有效数据传送至华为GTM-900C模块，最后GPRS模块利用Internet把最终数据发送至上位机，并同时监听上位机指令，一旦接收到指令将转发给协调器直至各采集控制节点，从而实现数据的双向传输。

2 下位机数据分析
协调器网关需要把测控节点无线传输过来的数据透明发送至上位机，有效的数据帧通过下位机编程为固定长度是20 B的数据，有些字节可变，有些字节是固定的。比如一个数据帧用十六进制表示为：FE 0F 46 87C6 E9 02 00 09 00 1A 21 00 00 48 9E 00 00 00 07。其中FE为每帧开始的字节；0F，02 00，09 00是固定的字节，表示数据包和有效数据位，46 87为接收标志；最后一个字节07是前面19个字节的异或运算值，C6 E9为传感器节点16位地址号，随着数据来自不同节点变化；1A为节点温度的整数部分，换算为十进制值为26 ℃，可变；21为节点10倍片上电压值，换算至十进制值为33 V，可变；0000为父节点地址；48为节点相对湿度值，转换至十进制值为72％，可变；9E为节点温度的小数部分，换算为十进制值的算法是(9×16+15)／256=0．62℃，可变；00 00 00为预留下来的3 B，用于其他传感器节点数据的传送。
协调器网关同时也接收上位机的命令数据并通过ZigBee网络发送至具体节点。命令数据为3 B，前2个字节为目标地址，第3个字节为采集控制命令。如设置80为停止采集指令，40为开始采集命令，01，02，03为采集周期选择命令。协调器地址是固定的十六进制数0x0000，其他传感器节点地址与之不同，因此当发送的前两个字节为0000时，可以此做为向全体传感器节点广播命令的判据。如果前两个字节是具体的单个节点地址，则只有相应节点接收到控制命令。

3 ZigBee协调器GPRS网关软件设计
ZigBee协调器GPRS网关软件设计流程如图2所示。其中等待GPRS注册成功是查看AT+CGREG?指令是否返回1或5，返回则表示GPRS模块上网注册成功；APN设置为CMNET；PPP拨号用AT％ETCPIP=＼”＼”，＼”＼””指令；域名解析指令AT％DNSR=”xxxx．3322．org”将返回与此域名绑定的IP；再用连接服务器指令AT％IPOPEN=“TCP”，xxx．xxx．xxx，1234连接上位机IP及监听端口。

数据传输程序的设计是重点，数据传输包括将采集到的数据透明上传至TCP服务器以及上位机指令的检测和通信是否掉线的检测。串口2接收到FEOF帧头后再执行AT指令将有效测量数据透明上传，收到心跳帧636F 6F6E后也透明上传，收到其他字符则不处理。当串口1接收缓存中有％IPCLOSE字符串时表示通信断开，此时则在下位机程序中重新执行连接服务器程序直至再次连接成功，保证数据通信可靠。