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(yōu)點，在諸多場合有著廣泛應用，但ZigBee僅作為現(xiàn)場數據采集與控制的局域網，覆蓋區(qū)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(tǒng)采用ZigBee與GPRS技術實現(xiàn)了遠程的數據采集與控制，并結合嵌入式Web Server與RFID射頻識別方案，實現(xiàn)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(tǒng)控制，具有較高的安全性與靈活性。另外，現(xiàn)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(tǒng)結構設計

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

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ZigBee節(jié)點

ZigBee網絡節(jié)點采用CC2530F256進行設計，工作在2.4 GHz頻段，是符合IEEE 802.15.4規(guī)范的SoC解決方案。片內集成高速8051內核，支持ZigBee2007 PRO協(xié)議棧;具有2～3.6 V的供電范圍以及良好的電源管理功能，可實現(xiàn)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(tǒng)，未使用的GPIO供擴展底板使用，在擴展底板上實現(xiàn)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 900MHz和DCS 1800 MHz，可以自動地搜尋兩個頻段，內嵌完整TCP/IP協(xié)議?；?a target="_blank">控制器采用ST公司的STM32F103C8，該芯片具有雙串口和一個硬件SPI接口，十分符合本系統(tǒng)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PN532 RFID模塊

嵌入式Web Server采用TI公司推出的LM3S9D92Cortex—M3 MCU實現(xiàn)，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424Kk/s，便于系統(tǒng)后期實現(xiàn)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。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)采用C語言進行開發(fā)，開發(fā)環(huán)境為RealviewMDK（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(tǒng)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(tǒng)主要流程如圖3所示。

系統(tǒng)數據采集主要通過查詢方式進行，由遠程監(jiān)控端發(fā)出查詢請求后，現(xiàn)場數據采集系統(tǒng)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(xié)調器端后，協(xié)調器在網絡內部通過單點傳送的方式與各個終端節(jié)點進行通信。

由于現(xiàn)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(qū)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(xiàn)場數據采集GPRS模塊還是數據中心（即接收端）的GPRS模塊。現(xiàn)場數據采集GPRS模塊為了保持連接還需在空閑時間發(fā)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SPIFlash中，外部數據可直接通過GPRS模塊的串口發(fā)送。

若與數據中心IP連接出現(xiàn)連續(xù)3次錯誤（錯誤次數可設定），現(xiàn)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(xiàn)緊急處理。

嵌入式Web Server部分主要負責將數據通過串口轉發(fā)至GPRS模塊或者上位機，并實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控計算機可通過瀏覽器對監(jiān)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(xiàn)對外網頁表單數據的更新與獲取。同時，監(jiān)控計算機進入系統(tǒng)配置更改前，需通過串口發(fā)送字符“authenticated_id_l00p”（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(xiàn)，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(huán)執(zhí)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(huán)，并將變量Authenticated_ID_OK置1，表明通過IC卡認證流程，可繼續(xù)執(zhí)行系統(tǒng)配置。

4 測試結果

通過對4個ZigBee終端節(jié)點I/O口P1.0控制的LED狀態(tài)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(tài)，可通過網頁中的復選框對I/O狀態(tài)實現(xiàn)控餅，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(tǒng)下使用系統(tǒng)自帶瀏覽器進行了測試，均可正常使用，現(xiàn)場監(jiān)控計算機接入系統(tǒng)十分方便。另外，測試了修改系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)。經實際測試，采集和控制各個ZigBee節(jié)點CC2530 P1.0引腳輸出狀態(tài)，運行結果能夠到達預期效果。另外，本系統(tǒng)還可根據實際情況在各個ZigBee終端節(jié)點添加其他數據采集電路，實現(xiàn)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(tǒng)具有較高的實用參考價值。

責任編輯：ct