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的成本高昂,，隨著時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)展到標準網(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,，表1列出了正在使用的幾種主要標準的發(fā)展時間表和主要特點：

    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,，可以實現(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，實現(xiàn)成本高,、功耗大,，實現(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。藍牙的技術(shù)比較復(fù)雜,，應(yīng)用系統(tǒng)費用高,、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,，可以補充藍牙技術(shù)達不到的低速率長距離的技術(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)送間隔時間一般大于傳輸時延
    ·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，一種為點到點的服務(wù)方式PTP,，一種是點到多點的服務(wù)方式PTM,。

1 ZigBee簡介
    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,、建立網(wǎng)絡(luò)、管理節(jié)點,、尋找一對節(jié)點間的路由和接收信息,。全功能設(shè)備(FFD)擔任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者形成網(wǎng)絡(luò)，然后讓其他的精簡功能裝置(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，閑時起到網(wǎng)絡(luò)路由器的功能,，也可以做終端設(shè)備,。精簡功能設(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,，對于空間上相對分布比較分散的單位或者距離較遠的單位之間,，各個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)的運行和維護如果采用數(shù)傳電臺等用戶系統(tǒng)，不但運行和維護成本較高,，所需要的無線電頻段可能還需要申請和付費,。而采用GPRS這種成熟的第三方傳輸服務(wù)就可以節(jié)省大量的運行和維護費用，目前采用GPRS傳送數(shù)據(jù)每k字節(jié)成本不到一分錢,，相對來說非常經(jīng)濟,。

3 GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)的整體設(shè)計
3．1 GPRS-ZigBee系統(tǒng)簡介
    GPRS-ZigBee是由多個ZigBee節(jié)點構(gòu)成，每個ZigBee節(jié)點都可以通過CAN總線和現(xiàn)場工作單元連接,，可以進行控制數(shù)據(jù)的采集,、計算和通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備根據(jù)拓撲結(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)終端可以是精簡功能設(shè)備,。簡單的網(wǎng)絡(luò)可以由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和精簡功能設(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,，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，可以實現(xiàn)GPRS-ZigBee系統(tǒng)問的遠程互連或者和其他計算機系統(tǒng)的遠程互連,。

3．2 本文GPRS-ZigBee混合系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件設(shè)計
    為了實現(xiàn)本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計,，將本節(jié)點的硬件設(shè)計分為四個模塊，一個是ZigBee無線收發(fā)模塊,，一個是GPRs收發(fā)模塊,，ZigBee模塊功能由Chipcon公司的CCl0O0無線收發(fā)芯片實現(xiàn)，GPRS模塊功能由英國Simcom公司的GPRS模塊SIM300實現(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，測試單元采用與計算機相連的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,，對于不同的收發(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)實現(xiàn)SIM300模塊和GSM基站之間的信號發(fā)送和接收,。文章設(shè)計僅僅使用了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,，選擇這個芯片是因為這個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，四級中斷形成雛菊花鏈式中斷結(jié)構(gòu),。主控制器芯片的定時器和計數(shù)器可以輔助主控制器和ZigBee芯片之間的控制時序和協(xié)議棧協(xié)議內(nèi)容的實現(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)進行局域數(shù)據(jù)交換或者通過GPRS進行廣域數(shù)據(jù)交換。CAN總線模塊采用Microchip公司的MCP2515和MCP2551組合實現(xiàn),，通過CAN總線模塊可以和本地控制單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互以實現(xiàn)應(yīng)用工業(yè)控制或者科學醫(yī)療樓宇自動化控制等應(yīng)用,，CAN應(yīng)用符合CAN2．0B總線規(guī)范。

    對于射頻電路來說,，器件的相互干擾成為一種敏感的負面因素,，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考慮變得更加重要，在PCB設(shè)計中,，兩個射頻部分在布線的時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)計時避免兩種射頻的同時發(fā)射或接收,。
    本混合系統(tǒng)的測試系統(tǒng)為RFD器件,，RFD器件只進行數(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標準實現(xiàn)初始化和接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實現(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
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,，分為驅(qū)動層、協(xié)議層和應(yīng)用層,。驅(qū)動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)動層的設(shè)計
    驅(qū)動層的設(shè)計主要是CCl000的驅(qū)動設(shè)計,，CCl000可以由PDATA、PCLK和PALE實現(xiàn)通信配置,，并由DIO和DCLK完成數(shù)據(jù)的傳輸,。一個完整的CCl000配置要求發(fā)送29個數(shù)據(jù)幀，每個16位(7個地址位,、1個讀／寫位和8個數(shù)據(jù)位),。驅(qū)動層的CCl000驅(qū)動以及驅(qū)動層和協(xié)議層的接口在AtMegal28中軟件實現(xiàn)。
3．3．1. 2 協(xié)議層的設(shè)計
    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,，其中物理層主要負責物理層數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,，MAC層主要負責幀控制和數(shù)據(jù)校驗，網(wǎng)絡(luò)層主要負責網(wǎng)絡(luò)的組建和網(wǎng)絡(luò)成員管理,，本設(shè)計為一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的星型網(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)點設(shè)備的連接請求,，并依次登錄網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備,。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點掃描信道，向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)出登錄或者離開請求,，等待網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將該節(jié)點加入或刪除出網(wǎng)絡(luò),。
    節(jié)點申請加入時搜索信道空閑狀態(tài)，發(fā)送信標幀,，在接收到多個帶有鏈路質(zhì)量信號參數(shù)的信標幀后,，選取鏈路質(zhì)量較好的節(jié)點并向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)請求幀，協(xié)調(diào)器準許后會分配網(wǎng)內(nèi)短地址給該節(jié)點,。每個節(jié)點都有一個鄰居表,，并且可以對其動態(tài)維護，在該鄰居表中含有一個父節(jié)點地址(除了根節(jié)點外)和多個子節(jié)點地址(除了葉結(jié)點外),，如此依次處理,，則所有節(jié)點都登錄形成無線網(wǎng)絡(luò)，同理,，一個節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)時,，將向其父節(jié)點發(fā)送請求幀，父節(jié)點在接收到請求后會將該節(jié)點從網(wǎng)絡(luò)中摘除并向子節(jié)點發(fā)送響應(yīng)幀,。

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

3．3．2 GPRS模塊設(shè)計
    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通信時實現(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
    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)器實現(xiàn)CAN總線控制,，通過CAN總線控制可以實現(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，實現(xiàn)更復(fù)雜的系統(tǒng)控制,。
3．3．4 系統(tǒng)級設(shè)計
    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)先級控設(shè)定為GPRS通訊為優(yōu)先級最高，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)先級郵箱式的管理，每級中斷來臨時都會向中斷序列郵箱發(fā)送一封郵件,，郵件根據(jù)中斷來源具備四種優(yōu)先級之一,，控制器每次中斷來臨時都會檢查當前中斷是否為中斷序列郵箱中中斷級別最高的中斷，如果是,，則啟動該優(yōu)先級的中斷或者繼續(xù)處理當前中斷,，如果當前中斷不是中斷序列郵箱中中斷級別最高的中斷，則放棄當前優(yōu)先級中斷并開啟當前中斷序列郵箱中級別最高的中斷,?？刂破髟谔幚硗昝總€中斷后控制器把剛剛處理完的優(yōu)先級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)先級最高的優(yōu)先級中斷啟動或繼續(xù)處理,。
    主網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器確定網(wǎng)絡(luò)標準時間基準,，通過GPRS在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以信標幀的形式發(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)點按照節(jié)點注冊的順序以時間平均TDMA的方式在由注冊節(jié)點組成的環(huán)形隊列中順序傳送控制令牌，得到控制令牌的節(jié)點可以發(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)計實現(xiàn)。此設(shè)計采用低功耗的GPRS和ZigBee模塊并以功能較強的微處理器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)點的情況下實現(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)濟性適用性都很強的無線通訊網(wǎng)絡(luò)。