劉煥強(qiáng)， 耿 鵬， 徐亞峰， 顧曉峰*， 何 磊

(1.江南大學(xué)輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫214122;2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所，江蘇蘇州215123)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低成本、低功耗、低傳輸速率的特點(diǎn)，并支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［1］。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，ZigBee技術(shù)吸引了越來(lái)越多的注意［2］。目前，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用大多集中于工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，在人們?nèi)粘＜揖由钪械膽?yīng)用也在日漸增多［3］。

通過(guò)組建ZigBee個(gè)域網(wǎng)，結(jié)合成熟的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)技術(shù)去控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)ZigBee終端的控制［4］。這種小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)需求比較少，對(duì)數(shù)據(jù)量要求也不高，而且安全可靠，特別適合在家庭中使用［5］。作者設(shè)計(jì)了一種基于GSM短信控制的ZigBee開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，通過(guò)短信服務(wù)(SMS)遠(yuǎn)程控制終端電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，經(jīng)測(cè)試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多包括255個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中包括若干終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器整體的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)最多可以達(dá)到65 000個(gè)［6］。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，無(wú)論哪一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)都有唯一的網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PAN ID)［7］。本系統(tǒng)采用 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器只是用來(lái)建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建成后協(xié)調(diào)器作為一個(gè)普通的路由節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。如圖1所示，系統(tǒng)由終端、路由節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)和手機(jī)4個(gè)部分組成。其工作過(guò)程如下:手機(jī)通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一條包含終端標(biāo)識(shí)和控制命令的短信給短信網(wǎng)關(guān)，短信網(wǎng)關(guān)再通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將其無(wú)線(xiàn)發(fā)送給目標(biāo)終端;如果距離比較遠(yuǎn)，無(wú)線(xiàn)信號(hào)會(huì)通過(guò)終端的上級(jí)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，目標(biāo)終端根據(jù)收到的命令執(zhí)行一定的動(dòng)作，如開(kāi)、關(guān)燈。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic structure of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)

系統(tǒng)中的無(wú)線(xiàn)傳輸模塊主要由德州儀器(TI)公司提供的CC2430芯片組成。CC2430芯片在單個(gè)芯片上整合了MCU(8051)、32/64/128 KB可編程Flash和8 KB的RAM，還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器(Timer)、AES協(xié)同處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路(Power Out Detection)及21個(gè)可編程的I/O引腳［8］。

如圖2所示，終端節(jié)點(diǎn)硬件電路主要由7805穩(wěn)壓芯片、ZigBee通信模塊、電磁繼電器等組成，其中ZigBee通信模塊的射頻電路如圖3所示。由于路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)也需用到該部分，因此將其獨(dú)立設(shè)計(jì)至一個(gè)印刷電路板上，與其它器件間通過(guò)引線(xiàn)連接。電源供給通過(guò)AC-DC電源適配器將220 V交流電轉(zhuǎn)換為12 V直流電，7805穩(wěn)壓芯片提供一個(gè)5 V的ZigBee通信模塊驅(qū)動(dòng)電壓，電磁繼電器則通過(guò)ZigBee通信模塊內(nèi)部8051單片機(jī)的I/O口發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖2 終端節(jié)點(diǎn)電路Fig.2 Circuit diagram of end-device node

圖3 ZigBee通信模塊射頻電路Fig.3 RF circuit of ZigBee communication module

2.2 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)主要也是由CC2430芯片組成，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，在芯片外圍加上射頻天線(xiàn)模塊、阻抗匹配模塊、供電模塊等即可工作，如圖4所示。另外，在路由節(jié)點(diǎn)加了LED燈，用來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)的加入情況，亮燈表明路由節(jié)點(diǎn)已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。

圖4 路由節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.4 Schematic diagram of router node

2.3 短信網(wǎng)關(guān)

短信網(wǎng)關(guān)部分主要由ZigBee通信模塊、GPRS模塊和電源管理模塊等組成，其中ZigBee模塊與GPRS模塊通過(guò)串口相連，如圖5所示。

圖5 短信網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of SMS gateway node

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是短信網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。短信網(wǎng)關(guān)一方面能解析手機(jī)短信內(nèi)容將其轉(zhuǎn)換為ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制命令，一方面將ZigBee網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換發(fā)送至手機(jī)，因此短信網(wǎng)關(guān)是GSM網(wǎng)絡(luò)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間通信的“中轉(zhuǎn)站”。短信網(wǎng)關(guān)的主要工作流程如圖6所示。

網(wǎng)關(guān)開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行軟硬件的初始化;接著搜索周?chē)W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)的 ZigBee模塊加入合適的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，GPRS模塊加入GSM網(wǎng)絡(luò);成功加入網(wǎng)絡(luò)后，GPRS模塊等待接收短信;收到短信后通過(guò)串口通知ZigBee模塊，ZigBee模塊發(fā)送相應(yīng)串口命令取出短信內(nèi)容;若為“合法”短信，發(fā)送控制消息至指定ZigBee終端，從而控制終端設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，否則將短信刪除，繼續(xù)等待接收消息。

圖6 短信網(wǎng)關(guān)工作流程Fig.6 Flowchart of SMS gateway

3.1 網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)

路由節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后，首先單跳廣播一條地址請(qǐng)求消息(Cluster ID:RefNode_Addr_Req)給鄰近的所有網(wǎng)關(guān)(單跳范圍內(nèi))。網(wǎng)關(guān)接收到地址請(qǐng)求消息后，回復(fù)一條包含自己網(wǎng)絡(luò)地址的消息(Cluster ID:RefNode_Addr_Rsp)給該節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)僅處理收到的第一條回復(fù)消息(即可近似推測(cè)其來(lái)自通信效果最佳的網(wǎng)關(guān))，以此消息所包含的網(wǎng)絡(luò)地址作為上報(bào)消息的目標(biāo)地址［9］。

網(wǎng)關(guān)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后，首先單跳廣播一條掃描請(qǐng)求消息(Cluster ID:RefNode_Scan_Req)給附近的路由節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(單跳范圍內(nèi))。節(jié)點(diǎn)接收到掃描請(qǐng)求消息后，執(zhí)行上面開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后的操作。主要的實(shí)現(xiàn)程序代碼如下:

上述代碼的功能為網(wǎng)關(guān)的掃描，在初始化和收到網(wǎng)關(guān)掃描請(qǐng)求時(shí)調(diào)用。

接收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)后提取網(wǎng)關(guān)地址作為目標(biāo)地址的實(shí)現(xiàn)代碼如下:

3.2 網(wǎng)關(guān)短信處理程序

短信格式包括消息類(lèi)型和終端地址，程序中將終端地址宏定義為易于編寫(xiě)和記錄的符號(hào):

#define A 0x14 3E

#define B 0x28 7B

短信消息類(lèi)型如表1所示。

表1 消息類(lèi)型Tab.1 Message types

例如，按照上表格式用手機(jī)編輯短信A1 01 A發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，GPRS模塊收到該短信后會(huì)從串口發(fā)送給ZigBee模塊一條提示信息，網(wǎng)關(guān)程序中通過(guò)AT+CMGR命令讀取短信內(nèi)容［10］，然后根據(jù)消息的格式將命令無(wú)線(xiàn)發(fā)給終端。

短信從GPRS串口取出后的處理過(guò)程如下:

目標(biāo)地址存在CMD數(shù)組第10和第11位:CMD［9］ =0x14，CMD［10］ =0x3E，因此上面的程序最終會(huì)將開(kāi)燈的命令(即前面發(fā)送的短信A1 01 A)發(fā)送給目標(biāo)終端0x14 3E，從而控制燈的打開(kāi)。

實(shí)際上單個(gè)終端節(jié)點(diǎn)可以控制多路設(shè)備。一個(gè)I/O口連接一個(gè)受控設(shè)備，擴(kuò)展多個(gè)I/O口就可控制多路設(shè)備，甚至I/O口通過(guò)擴(kuò)展其它MCU可控制更多路的設(shè)備。相應(yīng)地，手機(jī)發(fā)送的控制命令就要在原命令的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一個(gè)或多個(gè)字節(jié)，一個(gè)字節(jié)有8位，而每一位可代表一個(gè)設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，因此一個(gè)字節(jié)可同時(shí)控制8路設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據(jù)受控設(shè)備的數(shù)目在控制命令中添加相應(yīng)字節(jié)數(shù)，就可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)設(shè)備開(kāi)關(guān)的控制。

4 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)短信來(lái)控制終端設(shè)備的功能。對(duì)系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)作了硬件設(shè)計(jì)，并在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上針對(duì)具體應(yīng)用改進(jìn)了軟件設(shè)計(jì)。將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與GSM網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，可有效地結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，而且系統(tǒng)組網(wǎng)操作簡(jiǎn)單易行，具有較高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性比較強(qiáng)，經(jīng)過(guò)對(duì)終端軟件改進(jìn)可以方便地增加其他應(yīng)用［11-12］，如定位、溫濕度數(shù)據(jù)采集等。

［1］萬(wàn)力，王鵬.基于Zigbee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.低壓電器，2010(10):30-33.

WAN Li，WANG Peng.Design and realization of temperature and humidity monitoring network based on ZigBee［J］.Low Voltage Apparatus，2010(10):30-33.(in Chinese)

［2］PAN M S，Tsai C H，Tseng Y C.The orphan problem in ZigBee wireless networks［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2009，8(11):1573-1584.

［3］王敦鋒，朱名日，庾志衡，等.基于ARM-Linux和ZigBee的自動(dòng)煮糖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011，1(1):45-48.

WANG Dun-feng，ZHU Ming-ri，YU Zhi-heng，et al.Automatic control system for refining sugarcane based on embedded ARMLinux and ZigBee［J］.Instrument Technique and Sensor，2011，1(1):45-48.(in Chinese)

［4］周怡颋，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其應(yīng)用探討［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26(6):5-9.

ZHO Yi-ting，LING Zhi-hao，WU Qin-qin.ZigBee wireless communication technology and investigation on its application［J］.Process Automation Instrumentation，2005，26(6):5-9.(in Chinese)

［5］董海濤，屈玉貴，趙保華.Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2007(12):124-126.

DONG Hai-tao，QU Yu-gui，ZHAO Bao-hua.Design and implementation of Zigbee wireless sensor network platform［J］.Application of Electronic Technique，2007(12):124-126.(in Chinese)

［6］李勁，程紹艷，李佳林，等.基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)［J］.測(cè)控技術(shù)，2007(8):63-65.

LI Jin，CHENG Shao-yan，LI Jia-lin，et al.Wireless sensor network based on ZigBee technology［J］.Measurement＆ Control Technology，2007(8):63-65.(in Chinese)

［7］ ZigBee Alliance Inc. 053474r17 ZigBee Specification: ZigBee Document［S］. San Ramon:ZigBee Standards Organization，2007.

［8］寧炳武，劉軍民.基于CC2430的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2008(3):95-99.

NING Bing-wu，LIU Jun-min.The design of Zigbee network nodes based on CC2430［J］.Application of Electronic Technique，2008(3):95-99.(in Chinese)

［9］Tadakamadla S.Indoor local positioning system for zigbee，based on RSSI［J］.Electrical Engineering，2006，6(10):135-143.

［10］Halonen T，Romero J，Melero J.GSM，GPRS and EDGE performance:evolution towards 3G/UMTS［M］.USA:Wiley，2003.

［11］張水平，李曉波，張鳳琴，等.ZigBee在多傳感器信息集成中的應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2012，33(1):41-46.

ZHANG Shi-ping，LI Xiao-bo，ZHANG Feng-qin，et al.Application of ZigBee in multi-sensor information intergrating［J］.Computer Engineering and Design，2012，33(1):41-46.(in Chinese)

［12］董慶賀，何倩.基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2011，31(12):206-208.

DONG Qing-he，HE Qian.Design of wireless temperature monitoring system based on ZigBee［J］.Journal of Computer Applications，2011，31(12):206-208.(in Chinese)