Zigbee和GPRS技术网關设计
Zigbee和GPRS技术网关设计
摘要:无线传感器网络的水环境监测系统,它由III个部分组成:数据监控节点,网关和远程监控中心.无线网关是数据监控节点(ZigBee网络)与远程监控中心(GPRS网络)之间数据通信的网络监控中心.MSPIVIII0FI.VII.I.和CCIIIVIII0双重结构,本文研究I.种无线网关应用水环境监测系统及其软件和硬件系统的设计.
关键字:水环境监测.无线网关.ZigBee.GPRS
I..引言
水环境监测是I.个保护和管理水资源信息来源的重要方法.传统的监测方法有较长监测期间,强度高,针对性差,缓慢的数据采集,监测的水域范围有限和容易对监测区环境的破坏等问题.
无线传感器网络的水环境监控系统具有自动组织,监测范围广,较低的系统成本和对环境影响小的网络优势,易于实现监测水库,湿地,湖泊,河流和其他大型水域,正如图I.所示.无线传感器网络的水环境监测系统包括数据监控节点,无线网关和远程监测中心III部分.
图I.:无线传感器网络的水环境监控系统
本文是中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委-VI0VI0IV0IIIV)的支持,浙江省科学技术厅(II00VIIIcIIIII0IXVII)关键科学技术计划项目,教育科研计划项目(II00VI0IIIVVI),浙江支撑计划项目浙江大学青年教师(ZX0VI0IIIII.)和杭州科技部门科技计划项目(II00IXI.I.IIIIIIb0III).
本文研究和设计了I.个定向水环境监测无线传感器网络网关.网关使用MSPIVIII0FI.VII.I.作为主处理器,CCIIIVIII0作为协处理器,以ZigBee技术和GPRS技术在通信节点和网关,网关和远程监控中心之间实现双向的,高效和稳定的监测数据.
II.系统总体设计
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设计目标和单片机主机控制器选择
在整个水环境监测系统中,无线网关从远程监控中心接收命令后发送到指定的数据监控节点,相同的它接收到的响应数据监测节点命令返回远程监控中心.无线网关还建立自己的状态和本身从远程监控中心的订单查询作出反应并将结果反馈到远程监控中心.
无线传感器网络的水环境监测系统处理和传输数据量大,数据传输可靠性和安全性高.
无线传感器网络水环境监测系统,无线网关需要工作在室外,因此CPU功率消费和稳定性是很重要的.本系统采用I.VI位资源丰富的超功率MSPIVIII0FI.VII.I..
II.系统的设计思想
系统硬件设计采用MSPIVIII0FI.VII.I.主处理器实现命令处理网关;CCIIIVIII0作为I.个协处理器ZigBee协议实现在网关和数据监测子网之间的数据通信;GPRS模块实现远程通信中心和网关之间的远程数据监控.系统硬件框图如图II所示.
系统软件设计为了提高实时的MSPIVIII0FI.VII.I.平台该系统的性能采用μC/OS-I嵌入式操作系统作为软件;ZigBeeII00IV栈作为成都无线龙信息软件科技有限公司CCIIIVIII0I.个模块平台.
图II:系统硬件框图
III.系统的硬件设计
I..CCIIIVIII0无线区域网模块接口电路设计
无线区域网直接采用CCIIIVIII0模块设计,模块采用成都无线龙技术,以减少射频的困难来设计硬件电路模块.CCIIIVIII0包含VIIIkSRAM和VIIVk闪光灯,所以它不再需要增加内存.
UARTI.模块之间的接口电路和MSPIVIII0FI.VII.I.如图III所示.
图III:无线个域网模块的接口电路
II.GPRS模块接口电路的设计
GPRS通过串行端口连接MSPIVIII0FI.VII.I.,MSPIVIII0FI.VII.I.通过GPRS调制解调器发送AT命令到GPRS控制数据传输.
UART0之间的接口电路模块和MSPIVIII0FI.VII.I.如图IV所示.
图IV:GPRS模块的接口电路
III.电源模块的设计
因为模块通信时,有高强度的GPRS峰值电流调制解调器和其强大的干扰能力,所以电源设计为了减少使用高功率隔离芯片,从而使其他部分的GPRS调制解调器参与干涉.
电源模块设计如图V所示.电源模块使用LMIIVIXVI和TPSVIIIXVIIIIII双电源芯片.作为网关在户外工作,外部电源可以用VI氢镍电池(VII.IIv)或两个锂电池(VII.IVv).
图V:电源模块
IV.其他模块设计
液晶模块使用LCMI.IXIIVIIV.MSPIVIII0直接通过IO端口与LCMI.IXIIVIIV连接.网关使用VIIImbitsSOICVIII打包ATIVVDB0VIIII.D通过SPI接口作为数据存储器.德州仪器的电路设计建议通过JTAG电路用于显示.由于小数量的钥匙,设计使用独立的键盘来简化硬件系统的设计.
IV.系统软件设计
系统主要使用C语言编程,由于双处理器结构,软件设计包括CCIIIVIII0模块软件设计和MSPIVIII0的模块IV.I.软件设计.设计CCIIIVIII0的IV.II模块软件,设计MSPIVIII0模块软件.
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..CCIIIVIII0模块软件设计
由CCIIIVIII0模块软件无线个域网协议栈.应用程序和董事会支持决定软件水平.无线个域网图如图VI所示.
图VI:ZigBee模块的软件层次图
CCIIIVIII0使用BSP的主要目的是完整的硬件,提供范围广泛,函数调用上面的无线区域网协议栈和应用程序.
CCIIIVIII0模块的主要任务是应用程序建立和网络维护,同时进行MSPIVIII0和无线区域网网络数据传输任务.CCIIIVIII0模块不处理任何特定的数据,只是负责传输数据.其中,串行数据收发器在进行串口中断.应用水平的工艺流程图如图VII所示.
图VII:应用程序级别的流程图
II.MSPIVIII0模块的软件设计
为了提高系统的可靠性,提高实时性能和简化系统编程,我们移植μC/OS-IIMSPIVIII0的嵌入式操作系统.整个MSPIVIII0的图显示模块的软件水平如图VIII所示.
图VIII:MSPIVIII0模块软件层次图
μC/OS-II需要不时打断作为它的报时信号中断,时间滴答声打断看门狗定时器的生成可以设置MSPIVIII0FI.VII.I.和IIIII毫秒的循环.
MSPIVIII0软件模块包括VI个任务和相应的串行收发器中断服务子程序.主要任务是:钥匙扫描任务.液晶显示任务.无线区域网模块通信任务.GPRS模块通信的任务.数据处理任务.flash任务.其他任务和中断服务子程序提供数据或键的信息,数据流程任务和数据处理任务通知其他任务来处理消息.其他任务和中断服务子程序,通过I.个统I.的消息邮箱与数据通信过程任务和数据流程任务信号量激活其他任务.
每个任务的相应的串行中断服务子程序通信图如图IX所示.
图IX:每个任务的通信图
(I.)GPRS模块通信的任务
GPRS模块通信任务通过GPRS调制解调器负责建立GPRS网络与远程监控中心交流.GPRS调制解调器是唯I.被动的远程监控中心的命令,所以应该给出I.个GPRS调制解调器激活电话来激活GPRS调制解调器.如果GPRS调制解调器I.分钟内没有数据传播,它会自动进入睡眠状态,你需要定期(如V0秒)发送心跳包到远程监控中心保持GPRS连接.相应的GPRS串口传输任务和接收中断服务子程序在如图I.0.
图I.0:GPRS模块的通信任务流程图
(II)无线区域网模块通信的任务
无线区域网模块通信任务是第II优先级中最高的,通过这个任务,网关将命令发送到数据监测节点.也就是说,如果发出无线区域网的数据任务处理信号的任务,无线区域网的任务将被激活相应的命令.
由于无线区域网II00IV年堆栈的弱点和MSPIVIII0和CCIIIVIII0使用II线串行端口沟通,当CCIIIVIII0关闭全球中断,此时如果MSPIVIII0发送I.个CCIIIVIII0连续数据,它将不可避免地导致不响应中断和失去数据,为了解决这个问题,我们只有使用重传机制.无线域区网的任务和相应的串口收发器中断服务子程序流程图如图I.I..
图I.I.:ZigBee模块的通信流程图
(III)数据处理任务
数据处理任务主要是分析从远程监控中心和从数据监控节点激活数据并对相应的任务进行处理.
数据处理任务在命令编号中按照按照处理命令帧调用相应的模块:如果需要维护GPRS连接,数据处理任务需要定期通过GPRS发送心跳包维持GPRS连接;如果不需要保持联系,就停止发送心跳数据包;如果从CCIIIVIII0监控节点收到了数据处理任务消息,节点需要更新节点状态表.数据处理任务的流程图如图I.II所示.
图I.II:数据处理工作流程图
(IV)其他任务
关键的扫描任务,液晶显示任务和flash任务,被激活的数据处理任务.关键扫描任务负责寻找关键状态,如果按钮是沮丧,任务将激活数据处理任务来处理.液晶显示器的任务主要说明网关的状态和提供用户界面.Flash任务读写Flash的内存任务.
监控数据小组内传播,整个水环境监测系统使用统I.的帧格式,通信协议确保通信数据可以正确传输.分析和处理
交流.
水环境监测系统主要交易通信协议与设计通信框架,双cpu通信.为了确保可靠地传输数据,它应该使用确认帧.它的通信框架包括数据帧和命令帧(GPRS传输不使用确认机制,就直接发送数据帧和命令框架).通信帧格式表I.所示,可证实的帧格式表II所示.
表I.的通信帧格式
表II可证实的帧格式
整个无线网络的物理图像网关是显示如图I.III.顶部的地图GPRS调制解调器,通过串行线沟通与主板,CCIIIVIII0模块插入的右下角主板,MSPIVIII0的最小系统板在主板的中心举行.
图I.III:该网关站实物
V.总结
水环境监测系统面向网络具有对生态环境影响小,广泛的监控范围和低成本的优势.无线网关监测网络在整个无线传感器网络和GPRS网络和是整个系统的通信中心之间充当桥梁.
本文研发了zigbee和GPRS技术无线网关双处理器结构应用,阐述了其软件和硬件设计.系统实用,运行稳定可靠的实时远程水环境监测,它有广阔应用前景.
VI.文献
[I.]江泽民彭,调查WSN-Based的关键技术湿地水质远程实时监控系统.中国期刊的传感器和致动器,II00VII,II0(I.):I.VIIIIII-I.VIIIVI.
[II]江泽民PengWSN-Based湿地水质数据的视频监测系统.中国期刊的传感器和致动器,II00IX年,III.(II):IIIVIV-IIIVVIII.
[III]胡锦涛德克.C语言编程和开发MSPIVIII0[M],北京航空航天大学出版社,II00III年.
[IV]李接任段Chaoyu,ZigBee无线网络技术和实际的条目[M].北京航空航天大学出版社,II00III年.
附件II:外文原文(复印件)
摘要:无线传感器网络的水环境监测系统,它由III个部分组成:数据监控节点,网关和远程监控中心.无线网关是数据监控节点(ZigBee网络)与远程监控中心(GPRS网络)之间数据通信的网络监控中心.MSPIVIII0FI.VII.I.和CCIIIVIII0双重结构,本文研究I.种无线网关应用水环境监测系统及其软件和硬件系统的设计.
关键字:水环境监测.无线网关.ZigBee.GPRS
I..引言
水环境监测是I.个保护和管理水资源信息来源的重要方法.传统的监测方法有较长监测期间,强度高,针对性差,缓慢的数据采集,监测的水域范围有限和容易对监测区环境的破坏等问题.
无线传感器网络的水环境监控系统具有自动组织,监测范围广,较低的系统成本和对环境影响小的网络优势,易于实现监测水库,湿地,湖泊,河流和其他大型水域,正如图I.所示.无线传感器网络的水环境监测系统包括数据监控节点,无线网关和远程监测中心III部分.
图I.:无线传感器网络的水环境监控系统
本文是中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委-VI0VI0IV0IIIV)的支持,浙江省科学技术厅(II00VIIIcIIIII0IXVII)关键科学技术计划项目,教育科研计划项目(II00VI0IIIVVI),浙江支撑计划项目浙江大学青年教师(ZX0VI0IIIII.)和杭州科技部门科技计划项目(II00IXI.I.IIIIIIb0III).
本文研究和设计了I.个定向水环境监测无线传感器网络网关.网关使用MSPIVIII0FI.VII.I.作为主处理器,CCIIIVIII0作为协处理器,以ZigBee技术和GPRS技术在通信节点和网关,网关和远程监控中心之间实现双向的,高效和稳定的监测数据.
II.系统总体设计
I.. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
设计目标和单片机主机控制器选择
在整个水环境监测系统中,无线网关从远程监控中心接收命令后发送到指定的数据监控节点,相同的它接收到的响应数据监测节点命令返回远程监控中心.无线网关还建立自己的状态和本身从远程监控中心的订单查询作出反应并将结果反馈到远程监控中心.
无线传感器网络的水环境监测系统处理和传输数据量大,数据传输可靠性和安全性高.
无线传感器网络水环境监测系统,无线网关需要工作在室外,因此CPU功率消费和稳定性是很重要的.本系统采用I.VI位资源丰富的超功率MSPIVIII0FI.VII.I..
II.系统的设计思想
系统硬件设计采用MSPIVIII0FI.VII.I.主处理器实现命令处理网关;CCIIIVIII0作为I.个协处理器ZigBee协议实现在网关和数据监测子网之间的数据通信;GPRS模块实现远程通信中心和网关之间的远程数据监控.系统硬件框图如图II所示.
系统软件设计为了提高实时的MSPIVIII0FI.VII.I.平台该系统的性能采用μC/OS-I嵌入式操作系统作为软件;ZigBeeII00IV栈作为成都无线龙信息软件科技有限公司CCIIIVIII0I.个模块平台.
图II:系统硬件框图
III.系统的硬件设计
I..CCIIIVIII0无线区域网模块接口电路设计
无线区域网直接采用CCIIIVIII0模块设计,模块采用成都无线龙技术,以减少射频的困难来设计硬件电路模块.CCIIIVIII0包含VIIIkSRAM和VIIVk闪光灯,所以它不再需要增加内存.
UARTI.模块之间的接口电路和MSPIVIII0FI.VII.I.如图III所示.
图III:无线个域网模块的接口电路
II.GPRS模块接口电路的设计
GPRS通过串行端口连接MSPIVIII0FI.VII.I.,MSPIVIII0FI.VII.I.通过GPRS调制解调器发送AT命令到GPRS控制数据传输.
UART0之间的接口电路模块和MSPIVIII0FI.VII.I.如图IV所示.
图IV:GPRS模块的接口电路
III.电源模块的设计
因为模块通信时,有高强度的GPRS峰值电流调制解调器和其强大的干扰能力,所以电源设计为了减少使用高功率隔离芯片,从而使其他部分的GPRS调制解调器参与干涉.
电源模块设计如图V所示.电源模块使用LMIIVIXVI和TPSVIIIXVIIIIII双电源芯片.作为网关在户外工作,外部电源可以用VI氢镍电池(VII.IIv)或两个锂电池(VII.IVv).
图V:电源模块
IV.其他模块设计
液晶模块使用LCMI.IXIIVIIV.MSPIVIII0直接通过IO端口与LCMI.IXIIVIIV连接.网关使用VIIImbitsSOICVIII打包ATIVVDB0VIIII.D通过SPI接口作为数据存储器.德州仪器的电路设计建议通过JTAG电路用于显示.由于小数量的钥匙,设计使用独立的键盘来简化硬件系统的设计.
IV.系统软件设计
系统主要使用C语言编程,由于双处理器结构,软件设计包括CCIIIVIII0模块软件设计和MSPIVIII0的模块IV.I.软件设计.设计CCIIIVIII0的IV.II模块软件,设计MSPIVIII0模块软件.
I *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
..CCIIIVIII0模块软件设计
由CCIIIVIII0模块软件无线个域网协议栈.应用程序和董事会支持决定软件水平.无线个域网图如图VI所示.
图VI:ZigBee模块的软件层次图
CCIIIVIII0使用BSP的主要目的是完整的硬件,提供范围广泛,函数调用上面的无线区域网协议栈和应用程序.
CCIIIVIII0模块的主要任务是应用程序建立和网络维护,同时进行MSPIVIII0和无线区域网网络数据传输任务.CCIIIVIII0模块不处理任何特定的数据,只是负责传输数据.其中,串行数据收发器在进行串口中断.应用水平的工艺流程图如图VII所示.
图VII:应用程序级别的流程图
II.MSPIVIII0模块的软件设计
为了提高系统的可靠性,提高实时性能和简化系统编程,我们移植μC/OS-IIMSPIVIII0的嵌入式操作系统.整个MSPIVIII0的图显示模块的软件水平如图VIII所示.
图VIII:MSPIVIII0模块软件层次图
μC/OS-II需要不时打断作为它的报时信号中断,时间滴答声打断看门狗定时器的生成可以设置MSPIVIII0FI.VII.I.和IIIII毫秒的循环.
MSPIVIII0软件模块包括VI个任务和相应的串行收发器中断服务子程序.主要任务是:钥匙扫描任务.液晶显示任务.无线区域网模块通信任务.GPRS模块通信的任务.数据处理任务.flash任务.其他任务和中断服务子程序提供数据或键的信息,数据流程任务和数据处理任务通知其他任务来处理消息.其他任务和中断服务子程序,通过I.个统I.的消息邮箱与数据通信过程任务和数据流程任务信号量激活其他任务.
每个任务的相应的串行中断服务子程序通信图如图IX所示.
图IX:每个任务的通信图
(I.)GPRS模块通信的任务
GPRS模块通信任务通过GPRS调制解调器负责建立GPRS网络与远程监控中心交流.GPRS调制解调器是唯I.被动的远程监控中心的命令,所以应该给出I.个GPRS调制解调器激活电话来激活GPRS调制解调器.如果GPRS调制解调器I.分钟内没有数据传播,它会自动进入睡眠状态,你需要定期(如V0秒)发送心跳包到远程监控中心保持GPRS连接.相应的GPRS串口传输任务和接收中断服务子程序在如图I.0.
图I.0:GPRS模块的通信任务流程图
(II)无线区域网模块通信的任务
无线区域网模块通信任务是第II优先级中最高的,通过这个任务,网关将命令发送到数据监测节点.也就是说,如果发出无线区域网的数据任务处理信号的任务,无线区域网的任务将被激活相应的命令.
由于无线区域网II00IV年堆栈的弱点和MSPIVIII0和CCIIIVIII0使用II线串行端口沟通,当CCIIIVIII0关闭全球中断,此时如果MSPIVIII0发送I.个CCIIIVIII0连续数据,它将不可避免地导致不响应中断和失去数据,为了解决这个问题,我们只有使用重传机制.无线域区网的任务和相应的串口收发器中断服务子程序流程图如图I.I..
图I.I.:ZigBee模块的通信流程图
(III)数据处理任务
数据处理任务主要是分析从远程监控中心和从数据监控节点激活数据并对相应的任务进行处理.
数据处理任务在命令编号中按照按照处理命令帧调用相应的模块:如果需要维护GPRS连接,数据处理任务需要定期通过GPRS发送心跳包维持GPRS连接;如果不需要保持联系,就停止发送心跳数据包;如果从CCIIIVIII0监控节点收到了数据处理任务消息,节点需要更新节点状态表.数据处理任务的流程图如图I.II所示.
图I.II:数据处理工作流程图
(IV)其他任务
关键的扫描任务,液晶显示任务和flash任务,被激活的数据处理任务.关键扫描任务负责寻找关键状态,如果按钮是沮丧,任务将激活数据处理任务来处理.液晶显示器的任务主要说明网关的状态和提供用户界面.Flash任务读写Flash的内存任务.
监控数据小组内传播,整个水环境监测系统使用统I.的帧格式,通信协议确保通信数据可以正确传输.分析和处理
交流.
水环境监测系统主要交易通信协议与设计通信框架,双cpu通信.为了确保可靠地传输数据,它应该使用确认帧.它的通信框架包括数据帧和命令帧(GPRS传输不使用确认机制,就直接发送数据帧和命令框架).通信帧格式表I.所示,可证实的帧格式表II所示.
表I.的通信帧格式
表II可证实的帧格式
整个无线网络的物理图像网关是显示如图I.III.顶部的地图GPRS调制解调器,通过串行线沟通与主板,CCIIIVIII0模块插入的右下角主板,MSPIVIII0的最小系统板在主板的中心举行.
图I.III:该网关站实物
V.总结
水环境监测系统面向网络具有对生态环境影响小,广泛的监控范围和低成本的优势.无线网关监测网络在整个无线传感器网络和GPRS网络和是整个系统的通信中心之间充当桥梁.
本文研发了zigbee和GPRS技术无线网关双处理器结构应用,阐述了其软件和硬件设计.系统实用,运行稳定可靠的实时远程水环境监测,它有广阔应用前景.
VI.文献
[I.]江泽民彭,调查WSN-Based的关键技术湿地水质远程实时监控系统.中国期刊的传感器和致动器,II00VII,II0(I.):I.VIIIIII-I.VIIIVI.
[II]江泽民PengWSN-Based湿地水质数据的视频监测系统.中国期刊的传感器和致动器,II00IX年,III.(II):IIIVIV-IIIVVIII.
[III]胡锦涛德克.C语言编程和开发MSPIVIII0[M],北京航空航天大学出版社,II00III年.
[IV]李接任段Chaoyu,ZigBee无线网络技术和实际的条目[M].北京航空航天大学出版社,II00III年.
附件II:外文原文(复印件)
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