ZigBee与GPRS的远程数据采集系统设计

　　引言

　　ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，具有低功耗、低成本、易于组网、高可靠性等优点，在诸多场合有着广泛应用[1]，但ZigBee仅作为现场数据采集与控制的局域网，覆盖区域十分有限，难以满足当前远距离数据采集与控制的需求。本文所设计的远程数据采集系统采用ZigBee与GPRS技术实现了远程的数据采集与控制[2]，并结合嵌入式Web Server与RFID射频识别方案，实现了通过浏览器和射频识别卡进行关键配置数据修改和临时系统控制，具有较高的安全性与灵活性。另外，现场数据采集端的设备与数据接收/控制端的设备在硬件上具有较高的重复利用度。

　　1 系统结构设计

　　整个系统主要由ZigBee节点、GPRS模块、嵌入式Web Server以及PN532[3] RFID模块4个部分构成。其中ZigBee节点采用TI公司的CC2530[4]方案实现，应用于现场的无线组网与数据采集、控制，ZigBee网络中的终端节点将采集到的数据通过自组织网络汇集到协调器节点；GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM900A[5]模块、ST公司的STM32[6]MCU，以及其他必要外围电路组成，负责将数据转发至控制终端，建立与固定IP的TCP/UDP连接；嵌入式Web Server采用TI公司的LM3S9D92[7]实现，通过嵌入式Web Server对整个系统进行基本管理、数据显示，并将ZigBee网络中协调器节点采集的数据或GPRS模块输出的数据双向转发；PN532 RFID模块由LM3S9D92驱动，实现修改、配置系统关键信息前的授权认证管理（身份识别），以保证系统信息不被恶意篡改。整个远程数据采集系统结构如图1所示。

　　图1 远程数据采集系统结构框图

　　2 系统硬件设计

　　2.1 ZigBee节点

　　ZigBee网络节点采用CC2530F256进行设计，工作在2.4 GHz频段，是符合IEEE 802.15.4规范的SoC解决方案。片内集成高速8051内核，支持ZigBee2007 PRO协议栈；具有2~3.6 V的供电范围以及良好的电源管理功能，可实现较低的运行功耗。实际电路设计采用核心板与扩展底板结合的方式，核心板引出CC2530最小系统，未使用的GPIO供扩展底板使用，在扩展底板上实现了三线制RS232串口、指示LED、调试接口，以及其他必备外部应用电路。

　　2.2 GPRS模块

　　GPRS模块通信部分采用了SIMCOM公司的SIM900A模块，SIM900A模块是专门面向中国大陆市场设计的双频GSM/GPRS模块，工作频段为EGSM 900 MHz和DCS 1800 MHz，可以自动地搜寻两个频段，内嵌完整TCP/IP协议。微控制器采用ST公司的STM32F103C8[6],该芯片具有双串口和一个硬件SPI接口，十分符合本系统GPRS模块使用要求，且具有较高的性价比，使用SPI Flash W25X16作为外部掉电存储器记录GPRS模块相关配置信息。

　　2.3 嵌入式Web Server与PN532 RFID模块

　　嵌入式Web Server采用TI公司推出的LM3S9D92 CortexM3 MCU实现，该芯片集成以太网MAC+PHY接口，可直接连接含网络变压器的RJ45接口，大大简化了以太网部分的外围电路，十分符合设计需求。RFID模块部分采用NXP公司PN532的解决方案，PN532是一个高度集成的非接触读写芯片，它包含80C51微控制器内核，支持ISO/IEC 14443A/Mifare非接触式智能卡读写，同时还具有集成了NFCIP1的RF接口，传输速率高达424 Kb/s，便于系统后期实现与NFC设备进行点对点通信等功能。LM3S9D92使用GPIO模拟SPI与PN532进行通信。嵌入式Web Server主要部分接口连接示意图如图2所示。

　　图2 嵌入式Web Server主要部分接口连接示意图

　　3 系统软件设计

　　系统采用C语言进行开发，开发环境为Realview MDK(Keil for ARM)，并使用厂商所提供的片上资源驱动、库函数和第三方组件。