文斌，寧志強(qiáng)，陳愛萍

（成都信息工程學(xué)院，成都610225）

基于“北斗一代”的Zigbee無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)?

文斌，寧志強(qiáng)，陳愛萍

（成都信息工程學(xué)院，成都610225）

為了解決野外多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集無供電、布線復(fù)雜和通信困難的問題，提出了一種基于“北斗一代”的Zigbee無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。采用MSP430F6438、CC2341微處理器和一體化的RDSS“北斗”射頻芯片完成低功耗、小成本的硬件設(shè)計(jì)。通過增加SIM卡的數(shù)量，將網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)“北斗”數(shù)據(jù)的頻率降至最低的5 s，提高了網(wǎng)關(guān)的通信速率。通過軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和“北斗一代”系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的透明交換。該方法已成功應(yīng)用于野外油氣井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中。

“北斗一代”；Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；低功耗；網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)；油氣井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

1 引言

系統(tǒng)供電和通信是野外無人值守監(jiān)控系統(tǒng)很難解決的問題。目前有兩種解決方案：一是精心選擇數(shù)據(jù)監(jiān)測點(diǎn)，保證有方便的電源和快速的通信鏈路。這種方案容易實(shí)現(xiàn)，但不一定能完全滿足野外生產(chǎn)過程的需要；二是通過低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對區(qū)域目標(biāo)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，在匯集點(diǎn)通過現(xiàn)有公用通信網(wǎng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行集中傳輸。這種方案雖然優(yōu)于前一種方案，但要求匯集點(diǎn)與采集點(diǎn)的距離不能過遠(yuǎn)，同時(shí)匯集點(diǎn)還需要有公用通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋。以上兩種方案均存在數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不能隨任意選取的問題。

針對上述問題，本文提出了一種基于“北斗一代”終端的Zigbee無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案，該方案充分利用了Zigbee自組織網(wǎng)絡(luò)和“北斗”通信系統(tǒng)全球覆蓋的特性，實(shí)現(xiàn)了野外多點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，且不受電源和通信網(wǎng)絡(luò)的限制，在野外可任意布置數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。與現(xiàn)有的方案相比，本方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：采用Zigbee低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可擴(kuò)大監(jiān)測范圍；采用“北斗一代”用戶終端，選擇監(jiān)測點(diǎn)時(shí)不受通信網(wǎng)絡(luò)的限制；采用低功耗處理器和一體化的“北斗”射頻處理模塊，降低了網(wǎng)關(guān)的體積、成本與功耗；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用多SIM卡設(shè)計(jì)，克服“北斗”通信的速率瓶頸。

2 網(wǎng)關(guān)整體設(shè)計(jì)方案及硬件實(shí)現(xiàn)原理

網(wǎng)關(guān)連接了Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和“北斗”兩個(gè)獨(dú)立的通信系統(tǒng)，需要在傳輸層以上進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將其轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)還是Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制中心，能夠主動掃描其覆蓋范圍內(nèi)的所有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，管理整個(gè)無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，接收來自監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、融合、壓縮等處理。為此，網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由硬件層、協(xié)議層和應(yīng)用層三大部分組成。在應(yīng)用層上開發(fā)相應(yīng)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)發(fā)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理功能；協(xié)議層主要完成UC／OS-II操作系統(tǒng)的移植和兩種通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；硬件層主要由“北斗”通信模塊和Zigbee通信模塊組成［1］。

圖1 網(wǎng)關(guān)整體結(jié)構(gòu)Fig.1 The general structure of gateway

網(wǎng)關(guān)硬件組成如圖2所示，“北斗”通信模塊主要由RDSS“北斗”射頻芯片BG-DB-2416CX、MSP4306438微處理器、FPGA芯片EP3C120等低功耗器件以及6張發(fā)送頻度為30 s的SIM卡構(gòu)成［2］。Zigbee通信模塊主要由低功耗CC2431處理器為核心構(gòu)成。

為了提高網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信速率，讓6張SIM卡輪詢工作，每5 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)收發(fā)。這樣每張SIM卡30 s的通信頻度沒變，而網(wǎng)關(guān)的通信頻度縮短為原來的1／6。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件組成Fig.2 The general structure of gateway hardware

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1 “北斗”數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議

“北斗”數(shù)據(jù)收發(fā)協(xié)議如圖3所示，幀頭數(shù)據(jù)、發(fā)送目的地址、幀尾數(shù)據(jù)均為“北斗”系統(tǒng)所要求的數(shù)據(jù)段，嚴(yán)格按照其通信協(xié)議要求組織數(shù)據(jù)。幀號+數(shù)據(jù)類型占1 byte寬度，DATA為需發(fā)送的數(shù)據(jù)，其總的比特?cái)?shù)最大為M-8，8為幀號+數(shù)據(jù)類型占用的比特?cái)?shù)［3］。

幀號占高4 bit，編號為0～15。數(shù)據(jù)類型占低4 bit ，可根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

圖3 “北斗”模塊數(shù)據(jù)通信協(xié)議Fig.3 Data transmission protocol of Beidoumodel

3.2 Zigbee數(shù)據(jù)通信協(xié)議

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的監(jiān)測和控制兩大功能，其數(shù)據(jù)幀由幀標(biāo)志、目標(biāo)地址、源地址、幀優(yōu)先級、數(shù)據(jù)類型、時(shí)間、數(shù)據(jù)等部分構(gòu)成，如圖4所示。

圖4 Zigbee模塊數(shù)據(jù)通信協(xié)議Fig.4 Data transmission protocol of Zigbeemodel

數(shù)據(jù)類型分為上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)，上行數(shù)據(jù)是監(jiān)測數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)是控制命令。幀優(yōu)先級+數(shù)據(jù)類型+時(shí)間共占3 byte，其中幀優(yōu)先級占2 bit，數(shù)據(jù)類型占5 bit。時(shí)間表示為時(shí)、分、秒，共占17 bit，以秒為單位，從每天的0時(shí)0分0秒開始計(jì)時(shí)。

3.3 “北斗”通信模塊軟件設(shè)計(jì)

在MSP430F6438中移入U(xiǎn)C／OS-II操作系統(tǒng)。根據(jù)網(wǎng)關(guān)功能，在UC／OS-II操作系統(tǒng)中主要設(shè)計(jì)以下幾個(gè)任務(wù)：串行通信任務(wù)，完成Zigbee模塊與MSP430的數(shù)據(jù)的交換；數(shù)據(jù)發(fā)送處理任務(wù)，根據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級不同，分別進(jìn)行處理；數(shù)據(jù)接收處理任務(wù)，對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解幀，得到原始的數(shù)據(jù)流；SIM卡輪詢發(fā)送處理任務(wù)，完成數(shù)據(jù)的組幀和發(fā)送；系統(tǒng)監(jiān)控任務(wù)，對整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。

3.3.1 多SIM卡協(xié)調(diào)工作發(fā)送數(shù)據(jù)程序流程

本網(wǎng)關(guān)選用通信頻度為30 s的SIM卡6張，協(xié)同完成數(shù)據(jù)傳送。在30 s內(nèi)每張SIM卡輪詢工作一遍。其程序?qū)崿F(xiàn)算法如下：

（1）初始化，SIMNum=0；

（2）從發(fā)送隊(duì)列讀取要發(fā)送的數(shù)據(jù)；

（3）送卡號為SIMNum的SIM卡資料給FPGA；

（4）在2 s內(nèi)等待FPGA鎖定衛(wèi)星信號，如時(shí)間到或沒有鎖定衛(wèi)星型號轉(zhuǎn)步驟3；

（5）發(fā)送數(shù)據(jù)到SIM卡，得到身份識別碼，并組幀發(fā)送，SIMNum加1；

（6）在2 s內(nèi)等待接收端的應(yīng)答信息，如時(shí)間到或沒收到對方正確接收的應(yīng)答轉(zhuǎn)步驟3，否則轉(zhuǎn)下一步；

（7）發(fā)送隊(duì)列讀數(shù)據(jù)指針加1，并判斷發(fā)送隊(duì)列是否為空，如空就結(jié)束發(fā)送，微處理器進(jìn)入低功耗模式，否則轉(zhuǎn)下一步；

（8）判斷SIMNum是否大于等于6，如是，則SIMNum=0，并轉(zhuǎn)步驟2，否則直接轉(zhuǎn)步驟2。

3.3.2 自動選擇衛(wèi)星工作信道的程序流程

“北斗一代”有東星、西星和備用星，共6個(gè)通信信道。由于地理位置和環(huán)境的變化，所收到的不同信道信號強(qiáng)弱各不相同，所以網(wǎng)關(guān)要在兩顆工作星上分別選擇信號較強(qiáng)的波束作為工作信道。其程序?qū)崿F(xiàn)算法流程如圖5所示。

圖5 自動選擇衛(wèi)星工作信道的程序流程Fig.5 Flowchart of automatically selecting the satellite operation channel

3.4 Zigbee模塊中應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

Zigbee模塊采用一體化的CC2431實(shí)現(xiàn)，其Zigbee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，通過TI公司提供的參考代碼，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行裁減與優(yōu)化，在軟件編譯時(shí)，選擇“協(xié)調(diào)器”模式即可。Zigbee模塊應(yīng)用層軟件中設(shè)置兩個(gè)不同的隊(duì)列，根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級的高低將數(shù)據(jù)分別放入兩個(gè)隊(duì)列中。高優(yōu)先級隊(duì)列中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，再發(fā)送另一個(gè)隊(duì)列的數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)接收解幀程序?qū)崿F(xiàn)算法如下［4-5］：

（1）判斷接收數(shù)據(jù)隊(duì)列是否為空，如為空，任務(wù)結(jié)束；否則，從數(shù)據(jù)隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)下一步；

（2）判斷讀取的數(shù)據(jù)是否為數(shù)據(jù)幀頭標(biāo)識，如不是轉(zhuǎn)上一步，否則，數(shù)據(jù)送入接收數(shù)組，并轉(zhuǎn)下一步；

（3）繼續(xù)從接收隊(duì)列中讀數(shù)據(jù)，如隊(duì)列為空，任務(wù)結(jié)束，否則轉(zhuǎn)下一步；

（4）判斷是否收完所需數(shù)據(jù)，如收完轉(zhuǎn)下一步，否則轉(zhuǎn)上一步；

（5）從接收數(shù)據(jù)字段中取出數(shù)據(jù)類型，如是下行命令，根據(jù)目的地址，通過Zigbb模塊向無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)，并轉(zhuǎn)步驟1；如是上行數(shù)據(jù)，則轉(zhuǎn)下一步；

（6）從接收字段中取出幀優(yōu)先級，如轉(zhuǎn)發(fā)優(yōu)先級較高，將數(shù)據(jù)送入高優(yōu)先級發(fā)送隊(duì)列，并轉(zhuǎn)步驟1；如發(fā)優(yōu)先級較低，則將數(shù)據(jù)送入另一個(gè)發(fā)送隊(duì)列，并轉(zhuǎn)步驟1。

4 測試

用3個(gè)Zigbee數(shù)據(jù)采集監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，與網(wǎng)關(guān)一起形成低功耗無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。為了便于測試與分析，在網(wǎng)關(guān)中運(yùn)行一個(gè)測試程序［6］，通過自發(fā)自收的模式進(jìn)行“北斗”轉(zhuǎn)發(fā)測試。在測試過程中將“北斗”信號快捕失敗和接收解算錯(cuò)誤等均作通信失敗處理。數(shù)據(jù)一經(jīng)發(fā)送，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有收到返回?cái)?shù)據(jù)就作發(fā)送失敗處理，并重發(fā)數(shù)據(jù)，直到發(fā)送成功為止。當(dāng)網(wǎng)關(guān)中的發(fā)送隊(duì)列滿時(shí)，說明“北斗”通信鏈路質(zhì)量較差，將隊(duì)列中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入EEPROM中，同時(shí)向控制中心報(bào)警，并向采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令，調(diào)整數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)間間隔。在測試程序中統(tǒng)計(jì)每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的總幀數(shù)、重發(fā)的總幀數(shù)、失敗的總幀數(shù)等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，并通過串行口發(fā)送給PC機(jī)。

在PC機(jī)中運(yùn)行一個(gè)監(jiān)視程序模擬遠(yuǎn)程控制中心的功能，其運(yùn)行界面如圖6所示，其數(shù)據(jù)接收區(qū)顯示內(nèi)容為監(jiān)測點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)。衛(wèi)星信號強(qiáng)度指示條最多為4條，只要信號強(qiáng)度指示大于1條就能進(jìn)行通信，右邊為節(jié)點(diǎn)3發(fā)送情況統(tǒng)計(jì)結(jié)果。為了測試網(wǎng)關(guān)在接收信號強(qiáng)弱不同的情況下數(shù)據(jù)發(fā)送的情況，通過改變網(wǎng)關(guān)接收天線的位置和方向進(jìn)行測試，其測試結(jié)果如表1所示。

圖6 數(shù)據(jù)接收監(jiān)視結(jié)果Fig.6 Themonitoring results of data received

表1 不同信號強(qiáng)度下網(wǎng)關(guān)通信情況Table 1 Communication of gateway under differe nt signal strength

從表1中可看出，在不同信號強(qiáng)度下，經(jīng)過10 h的連續(xù)測試，當(dāng)接收信號強(qiáng)度超過2個(gè)指示條時(shí)，均能達(dá)到92%的成功率。當(dāng)信號只有1個(gè)指示條時(shí)，由于有不穩(wěn)定的情況，導(dǎo)致重發(fā)次數(shù)增加，發(fā)送成功率有所降低。

5 結(jié)論

網(wǎng)關(guān)內(nèi)置了Zigbee和“北斗”通信協(xié)議，能同時(shí)完成對無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管理和“北斗”數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，并且兩種協(xié)議均通過無線方式進(jìn)行，方便野外監(jiān)測區(qū)域的選取。由于網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)送頻度為5 s，一般野外監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每次所傳送的數(shù)據(jù)量較小，“北斗”系統(tǒng)都能一次性轉(zhuǎn)發(fā)，這樣網(wǎng)關(guān)完全能勝任分鐘級數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的需求。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)野外監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，確定節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔，完成無人值守。在網(wǎng)關(guān)中采用了一體化的“北斗”射頻芯片、低功耗微處理器，降低了網(wǎng)關(guān)的功耗、體積和成本。這種基于“北斗一代”終端的Zigbee無線網(wǎng)關(guān)，已成功應(yīng)用于野外油氣井遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，具有較高的民用推廣價(jià)值。

［1］喬大雷，夏士雄，楊松，等.基于ARM9的嵌入式Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007，23（35）：156-158. QIAO Da-lei，XIA Shi-xiong，YANG Song，et al.The Design and Realization of Embedded Zigbee Gateway based on ARM9［J］.Microcomputer Information，2007，23（35）：156 -158.（in chinese）

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［6］高迪駒.基于北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)的船載終端串口通信［J］.上海海事大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29（4）：10-14. GAO Di-ju.Shipborne Terminal Serial-port Communication Based on Beidou Satellite Communication System［J］. Journal of Shanghai Maritime University，2008，29（4）：10-14.（in Chinese）

WEN Binwasborn in Chengdu，Sichuan Province，in 1970.He received the M.S.degree in 2007.He is now an associate professor.His research concerns development of communication product and embedded product.

Email：bwen＠cuit.edu.cn

寧志強(qiáng)（1987—），男，新疆昌吉人，2011年獲學(xué)士學(xué)位，主要從事無線與移動通信研發(fā)；

NING Zhi-qiang was born in Changji，Xinjiang Uygur Autonomous Region，in 1987.He received the B.S.degree in 2011.His research concerns R＆D ofwireless andmobile communication product.

陳愛萍（1964—），女，四川成都人，1988年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)闊o線通信與射頻技術(shù)。

CHEN Ai-ping was born in Chengdu，Sichuan Province，in 1964.She received the M.S.degree in 1988.She is now an associate professor.Her research concernswireless communication and radio frequency technology.

Design of Zigbee W ireless Gateway Based on Beidou First Generation

WEN Bin，NING Zhi-qiang，CHEN Ai-ping
（Chengdu University of Information Technology，Chengdu 610225，China）

Based on Beidou first generation，a Zigbee wireless gateway design scheme is proposed to deal with problems of outdoor data collecting，such as no power supply，complicated cabling and difficult communicating. This scheme uses MSP430F6438，CC2431，RDSSRF chip and so on，to design a gateway hardwarewith low cost and power consumption.By increasing the number of SIM cards，the gateway forwarding Beidou data frequency is reduced to 5 seconds，thus enhancing the data transmission rate of the gateway.This gateway can transparently convert the data between the Zigbeewireless sensor network and Beidou communications systems by using software design.Thismethod has been successfully deployed in field oil and gaswell remotemonitoring system.

Beidou first generation；Zigbeewireless sensor networks；low power consumption；gateway design；oil and gaswell remotemonitoring system

The Natural Sciences and Technological Developments Fund of Chengdu University of Information Technology（CSRF200805）

TP368

A

10.3969／j.issn.1001-893x.2011.09.019

文斌（1970—），男，四川成都人，2007年獲碩士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要從事通信產(chǎn)品以及嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)；

1001-893X（2011）09-0092-04

2011-04-14；

2011-06-13

成都信息工程學(xué)院自然科學(xué)與技術(shù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目（CSRF200805）