隨著無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，經(jīng)濟化、工業(yè)自動化和信息化的進程不斷深入，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸成熟，應(yīng)用的領(lǐng)域逐漸增多，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引起了人們越來越多的重視。，近年來出現(xiàn)了面向低成本設(shè)備無線聯(lián)網(wǎng)要求的zigbee技術(shù)，它是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制、遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域及家用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，

　　短距離無線通訊的歷史發(fā)展到標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)，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)。

　　通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service）的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍≒acket）式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps.

　　1 ZigBee簡介

　　Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和"嗡嗡"（zig）地抖動翅膀的"舞蹈"來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。其特點是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術(shù)。

　　簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，在整個網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴展。

　　與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個ZigBee"基站"卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（FFD）還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點（RFD）無線連接。

　　2 融合GPRS技術(shù)的ZigBee應(yīng)用

　　GPRS網(wǎng)絡(luò)是覆蓋范圍廣，性能較為完善的無線網(wǎng)絡(luò)，GPRS通信網(wǎng)本身具有較強的數(shù)據(jù)糾錯能力，數(shù)據(jù)傳輸率較高可達128kbit/s能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性。用Zigbee技術(shù)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低；采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪K體積小、功耗低，適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)節(jié)點，Zigbee技術(shù)、GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸與傳感器技術(shù)相結(jié)合組成新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，必將有廣泛的應(yīng)用前景。

　　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?fù)浣Y(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)器功能強也復(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(yuǎn)程互連或者和其他計算機系統(tǒng)的遠(yuǎn)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)快速上傳的USB接口。為了獲得較遠(yuǎn)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(xué)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?zhǔn)街袛嘟Y(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(xué)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)責(zé)物理層數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，MAC層主要負(fù)責(zé)幀控制和數(shù)據(jù)校驗，網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)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(biāo)幀，在接收到多個帶有鏈路質(zhì)量信號參數(shù)的信標(biāo)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(zhǔn)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(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、命令幀和確認(rèn)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

　　CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。是國際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。近年來，其所具有的高可靠性和良好的錯誤檢測能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。

　　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，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(dāng)前中斷是否為中斷序列郵箱中中斷級別的中斷，如果是，則啟動該優(yōu)先級的中斷或者繼續(xù)處理當(dāng)前中斷，如果當(dāng)前中斷不是中斷序列郵箱中中斷級別的中斷，則放棄當(dāng)前優(yōu)先級中斷并開啟當(dāng)前中斷序列郵箱中級別的中斷。控制器在處理完每個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(biāo)準(zhǔn)時間基準(zhǔn)，通過GPRS在ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以信標(biāo)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，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)。