专利名称：一种支持Zigbee协议和GPRS通信标准的无线传感器网络网关设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及ZigBee低速率无线个域网通信技术领域、GPRS(General Packet Radio Service :通用分组无线业务)广域网通信技术领域及无线传感器网络应用领域，尤 其涉及一种支持个域网与广域网通信的、符合Zigbee协议和GPRS标准的无线传感器网络 网关设备。
背景技术：
随着无线通信技术、传感器技术和网络技术的不断发展，无线传感器网络作为一 种多学科交叉技术得到了学术界和工业界的广泛关注。无线传感器网络将各种传感器纳入 网络，构成了 Internet的神经末梢，将网络终端由原来的PC机(Personal Computer)延伸 到各种微小的传感器，被视为下一代互联网络。无线传感器网络被美国"技术周刊"评定为 未来影响人类生活的十大技术之一，它具有自组织、低成本、低功耗的优点，目前被广泛的 应用于环境监控、智能交通、工业控制、智能家居等领域。 无线传感器网络是一种近距离个域网络，传感器数据多为少量数据，低速率传 输是其主要特征。Zigbee标准是一种低速率、高可靠个域网无线通信标准，基于IEEE 802. 15. 4MAC(Media Access Control)层协议实现，支持Mesh网络。目前Zigbee联盟已有 数百个成员，由全球著名IC(Integrated Circuit)发起。基于Zigbee协议构建无线传感 器网络已被广泛采用。 无线传感器网络接入技术是将传感器节点纳入广域网络的关键技术，也是当前 无线传感网络研究中的热点领域。目前，其实现方式可分为两类，一类是实现一种个域网 与IP(Internet Protocol)网互联的网关没备，直接将传感器接入Internet。另一类是 实现一种个域网与2. 5G或3G无线广域网互联的网关设备，将传感器信息发送到手机或 PDA (Personal Digital Assistant)用户终端，实现一种传感器数据采集和控制的一体化 无线解决方案。 目前，在无线传感器网络产品中，无线通信模块以及实现个域网与Internet互 联的网关设备已出现，如TI(德州仪器)公司生产的CC2430的模块，Freescale公司的 MC13213模块，美国Digi公司的ConnectPort X系列产品等，国内专注于Zigbee产品研发 的上海顺舟科技有限公司、成都无线龙科技有限公司等公司也有类似产品。但是实现个域 网与2. 5G或3G无线广域网互联的网关设备目前还没有出现，本发明针对当前工业和家居 应用无线一体化解决方案需求，实现了一种支持Zigbee协议和GPRS通信标准的无线传感 器网络网关设备，提供一种无线个域网与无线广域网无缝连接的网关设备，在工业控制、智 能家居、智能交通、安防报警等领域有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明实施例要解决的问题是提供一种能够创建Zigbee网络、具有本地存储功能、具有各种输入/输出接口 、支持Zigbee与GPRS数据透明传输的无线传感网络网关设 备。 为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供的一种支持Zigbee协议 和GPRS通信标准的无线传感器网络网关设备，包括微处理器单元，Zigbee通信单 元，GPRS (General Packet Radio Service)通信单元，本地存储单元，输入/输出接口 单元和液晶、按键等外设接口单元。其中，微处理器单元由C8051F3408位双串口微处 理器实现，微处理器单元与Zigbee通信单元通过RS232串口相连，本地存储单元通过 IIC(Inter-Integrated-Circuit)接口与微处理器单元相连，GPRS通信单元通过RS232 串口与微处理器单元相连，微处理器单元通过GPIO(General-Purpose Input/Output)、 AD (Analog toDigital)接口与输入/输出单元相连，按键、液晶等外设单元与微处理器单 元通过GPIO相连。 其中，所述Zigbee通信单元基于XBee芯片实现，符合Zigbee规范，可作为协调器 节点构建无线传感器网络。 所述GPRS通信单元基于MC55模块实现，支持三频工作模式，具有语音和数据传输 功能，可作为移动节点接入GPRS蜂窝网络。 所述本地存储单元，基于16M串行固件Flash存储器AT26DF1芯片实现，具有实时 时钟控制、低功耗等优点。 所述输入/输出单元，具有GPIO，AD、USB(Universal Serial Bus)等接口，可驱动 继电器，支持各种传感器数据的输入与输出。 所述按键、液晶等外设单元，具有液晶显示、键盘输入功能，可实现中央数据的液 晶显示与按键操作。 与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点创新性的实现了一种无线网 关设备，能够同时支持2. 4G频段Zigbee通信和900MHz/1800MHz/1900MHz频段GPRS通信 以及相互间的数据透明传输，为工业设备和家用电器的智能无线控制提供了一体化接入方 案，填补了当前无线传感器网络与2. 5G蜂窝网络接入设备研发的空白。
图1是本发明的网关设备的硬件连接框图
图2是本发明的网关设备的MCU单元原理图
图3是本发明的网关设备的GPRS通信单元原理图
图4是本发明的网关设备的Zigbee通信单元原理图
具体实施例方式
下面结合附图l-4和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下 实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 参照图1，图l表示本发明的网关设备的硬件连接框图。本发明的硬件基于 C8051F3408位双串口微处理器实现，以微处理器单元为核心，实现了一种具有计算能力、 存储能力和通信能力的无线中央控制主机功能。硬件连成包括微处理器单元，Zigbee 通信单元，GPRS (General Packet Radio Service)通信单元，本地存储单元，输入/输
4出接口单元和液晶、按键等外设接口单元。其中，微处理器单元由C8051F3408位双串口 微处理器实现，微处理器单元与Zigbee通信单元通过RS232串口相连，本地存储单元通 过HC(Inter-Integrated-Circuit)接口与微处理器单元相连，GPRS通信单元通过RS232 串口与微处理器单元相连，微处理器单元通过GPIO(General-Purposelnput/Output)、 AD (Analog to Digital)接口与输入/输出单元相连，按键、液晶等外设单元与微处理器单 元通过GPI0相连。 参照图2，图2表示本发明的网关设备的微处理器单元原理图。微处理器选用 C8051F3408位双串口芯片，该芯片基于高速8051微控制内核，选用流水线指令结构，速度 可达48MIPS，70X指令的执行时间为l或2个系统时钟，具有扩展的中断系统。本发明的微 处理器单元连接方法为PO. 4， PO. 5， PO. 6， PO. 7， Pl. 0， Pl. 1与GPRS单元MC55芯片相连。 PO. O，PO. l，PO. 2，P1. 2与本地存储单元FLAsh芯片AT26DF161相连。PI. 4，P1. 3与Zigbee 通信单元XBee芯片相连。P4. 0， P4. 1， P4. 2， P4. 3， P4. 4， P4. 5， P4. 6， P4. 7与外设单元的液 晶芯片相连。 参照图3，图3表示本发明的网关设备的GPRS通信单元原理图。其中，GPRS通信 模块选用西门子MC55。该无线模块是当今尺寸最小的三频模块(35x32. 5x2. 95mm)。支持 900MHz， 1800MHz和1900MHz三频段工作模式。本发明的实现方法为实现MC55的外围电路，， 将MC55的TXDO和RXDO与微处理器芯片C8051F340的RS232串口相连。串口通信操作设 置为波特率9600，数据位8，停止位l，校验位无。 参照图4，图4表示本发明的网关设备的Zigbee通信单元原理图。本发明的 Zigbee芯片选用MC9S08GT60 8位单片机，MC13193RF(Radio Frenquency)芯片实现。 MC9S08GT60与MC13193通过SPI (Serial Peripheral Interface)接口相连。MC9S08GT60 通过RS232串口与微处理器单元单元的C8051F340串口相连。MC9S08GT60芯片具有4K大 小的RAM, 64K的FLASH。具有8个数字通道接口 、8个10比特的ADC接口和1个SPI接口 。 MC13193芯片具有3. 6to-16dBm的输出，2. 0到3. 4V操作电压。_92dBm的灵敏度。电路采 用多层PCB设计，设计精巧，成本较低。天线点对点收发距离为100m左右。SPI接口是近年 来新发展的一种高速同步串行通讯接口。通讯分为主控方(Master)和从方(Slave)。整个 通讯由主方控制，包括SPISTE-SPIStrob、SPICLK-Clock、SMO(Slave Input/Master Out)、 SOMI (SlaveOutput/Master In)等通信信号。 另外，本发明的按键、液晶等外设单元，包括按键、液晶屏、LED等外设。按键外设 采用常用的高低电平实现，并通过矩阵按键扫描程序实现。液晶显示基于带中文字库的 128X64实现。128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国 标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128X64，内置8192 个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方 便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8X4行16X16点阵的汉字，也 可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类 型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块 的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。其显示方法如以下程序所示
void main (void)
{
char i ; unsigned char teml， tem2， temp， temph， tempi, tema， temb， tem ; RST = 0 ;delay(20) ;RST = 1 ; initial (); for(;;) { disp_all(0x00，0x00); delay (80); disp—bmp(tabl); delay (100); disp_all(0x55，0xaa); delay (80); disp_all (0x00 ;0x00); delay (50); delayms (10000); disp_contrastl(OXff，Oxff); delay (10); disp_contrast2(0X00，0x00); delay (10); wcomd(Oxal); wcomd(0x24); wcomd(0x81); wcomd(0x2a); delay (60); disp_all(OxOO，Oxff); delay (100); } } 本发明的本地存储单元基于AT26DF161A串行Flash存储器实现。该芯片具有 16Mbit的存储容量，支持SPI接口，页大小为256Byte，最大66MHz时钟频率，同时具有灵 活、均匀擦除的架构。本发明的实现方法为，AT26DF161A通过SI、SCK的IIC接口与微处理 器芯片相连。 本发明的输入/输出单元支持数字信号、模拟信号、开关量、USB数据的输入与输 出。输入/输出单元与微处理器的10管脚相连，支持各种传感器数据的输入/输出，也可 以直接驱动继电器，实现环境信息的阈值报警。 综上所述，按照本发明，可以获得一种具有数据本地存储能力、计算能力、Zigbee 无线个域网通信能力、GPRS无线广域通信能力和输入/输出接入能力的无线传感器网络网 关设备。网关节点可以创建本地Zigbee个域网络，能实现Zigbee数据与GPRS数据透明传 输。
6明可以被应用于环境监控、智能家居、智能交通、健康监护、工业控制、安防报 警、智能农业等领域中。特别是针对冷库、温室、农业大棚等温、湿度传感器环境监控和报 警应用领域。可以通过部署包含温度、湿度、红外等传感器的无线传感器网络，使用本发明 的网关设备，实现对无线传感器网络中传感器数据信息的收集和指令控制。例如，在用于精 细农业研究的各大棚室内，分别部署多个温度、湿度传感器节点，定时采样大棚内的环境信 息，同时在大棚周围，布设多跳无线传感器网络路由节点，路由节点将传感器数据最终汇聚 到本发明的网关节点，网关节点通过其GPRS通信单元，将温度、湿度传感器数据传送到远 程监控中心工作人员的PDA中，工作人员也可以通过网关设备，发送指令控制大棚内传感 器节点的上报周期等参数，在大棚气候环境超出标准阈值时，可以通过网关节点向监控中 心报警。 以上所述仅是本发明的优选实施方式。需要说明的是，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和 润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
一种无线传感器网络网关设备，其特征在于，包括微处理器单元，Zigbee通信单元，GPRS(General Packet Radio Service)通信单元，本地存储单元，输入/输出接口单元和外设接口单元。
2. 如权利要求l所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，微处理器单元 由C8051F3408位双串口微处理器实现，微处理器单元与Zigbee通信单元通过RS232 串口相连，本地存储单元通过IIC(Inter-Integrated-Circuit)接口与微处理器 单元相连，GPRS通信单元通过RS232串口与微处理器单元相连，微处理器单元通过 GPIO(General-Purposelnput/Output) 、AD (Analog to Digital)接口与输入/输出单元相 连，外设单元与微处理器单元通过GPIO相连。
3. 如权利要求l所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，所述Zigbee通信单元 基于XBee芯片实现，符合Zigbee规范，可作为协调器节点构建无线传感器网络。
4. 如权利要求l所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，所述GPRS通信单元 基于MC55模块实现，支持三频工作模式，具有语音和数据传输功能，可作为移动节点接入 GPRS网络。
5. 如权利要求1所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，所述本地存储单元，基 于16M串行固件Flash存储器AT26DF1芯片实现，具有实时时钟控制、低功耗等优点。
6. 如权利要求l所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，所述输入/输出单元， 具有GPI0，AD、USB (Universal Serial Bus)等接口 ，可驱动继电器，支持各种传感器数据的 输入与输出。
7. 如权利要求1所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，所述按键、液晶等外设 单元，具有液晶显示、键盘输入功能，可实现中央数据的液晶显示与按键操作。
全文摘要
本发明公开了一种支持Zigbee协议和GPRS通信标准的无线传感器网络网关设备，其特征在于该网关设备由微处理器单元、Zigbee通信单元、GPRS通信单元、本地存储单元、输入/输出单元及液晶、按键等外设单元构成。其中，微处理器单元由C8051F3408位双串口微处理器实现，微处理器单元与Zigbee通信单元及GPRS通信单元均通过RS232串口相连。本发明可作为网关设备实现Zigbee无线个域网与GPRS广域网的数据透传，特别是用于无线传感器网络中传感器信息采集的网关节点，可被应用于无线传感器网络环境监测、智能家居、智能交通、安防报警应用、工业控制等领域。
文档编号H04W88/16GK101784132SQ20091007701
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月16日 优先权日2009年1月16日
发明者刘洪涛, 张瑞, 曹顺田, 赖望峰 申请人:北京旗硕基业科技有限公司;刘洪涛;曹顺田