整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分為三層：最高層為監(jiān)控中心，由可以上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)構(gòu)建，該計(jì)算機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)與GPRS-ZigBee網(wǎng)關(guān)通信；中間層為GPRS-ZigBee網(wǎng)關(guān)，其作為中間橋梁，起著聯(lián)通底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)和上層監(jiān)控中心的作用；最底層為ZigBee網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)終端設(shè)備都是一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)，其接收GPRS-ZigBee網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，也可以通過網(wǎng)關(guān)向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)。
2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)
ZigBee技術(shù)是目前嵌入式應(yīng)用的一大熱點(diǎn)。這是一種近距離、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)或及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持位置定位功能。
ZigBee最大的優(yōu)勢(shì)在于其可以自由組網(wǎng)，比傳統(tǒng)的RF模塊點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的應(yīng)用靈活許多，而且數(shù)據(jù)收發(fā)的速率可以達(dá)到1 Mb/s。
本文采用的ZigBee模塊是美國CEL公司的ZICM2410模塊(如圖3所示)。該模塊內(nèi)置集成51核的單片機(jī)，具有豐富的硬件接口(GPIO、UART、定時(shí)器和音頻接口等)，采用簡單易學(xué)的Python語言開發(fā)，支持用戶二次開發(fā)。用戶可以在該模塊上實(shí)現(xiàn)簡單的傳輸協(xié)議，以兼容用戶端機(jī)的接口協(xié)議。
ZICM2410的最大特點(diǎn)在于其支持SNAP網(wǎng)絡(luò)。SNAP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一款由Synapse公司開發(fā)的無線mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，SNAP為復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)簡單、可靠、智能的完整組網(wǎng)方案。SNAP使用的是對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，所有的節(jié)點(diǎn)都是路由節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)時(shí)，無“加入網(wǎng)絡(luò)”過程，無中心節(jié)點(diǎn)，無需預(yù)先構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。所以ZICM2410功耗極低，通信冗余性能優(yōu)異。
3 GPRS-ZigBee網(wǎng)關(guān)
網(wǎng)關(guān)采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司推出的ZWG-68ZB，它是一款非常易于使用、穩(wěn)定可靠，且能夠適應(yīng)長期不間斷工作的工業(yè)級(jí)設(shè)備，產(chǎn)品外形如圖 4所示。
在投入使用之前要先把監(jiān)控中心的公網(wǎng)IP地址和端口號(hào)配置到網(wǎng)關(guān)中，這樣網(wǎng)關(guān)在上電后就會(huì)主動(dòng)連接上監(jiān)控中心，并把監(jiān)控中心下發(fā)的數(shù)據(jù)通過ZigBee轉(zhuǎn)發(fā)給一線的終端設(shè)備，同時(shí)還會(huì)把終端設(shè)備通過ZigBee上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控中心。
ZWG-68ZB默認(rèn)是透明傳輸方式，但是設(shè)備中的ZigBee模塊同樣支持用戶二次開發(fā)，用戶可以將通信協(xié)議自行集成在設(shè)備中。
ZWG-68ZB采用西門子工業(yè)級(jí)的GPRS模塊，具有以下特點(diǎn)：
(1)6 V～25 V寬壓供電；
(2)支持?jǐn)?shù)據(jù)中心動(dòng)態(tài)域名或IP地址方式訪問；
(3)支持備用數(shù)據(jù)中心；
(4)斷線自動(dòng)重連；
(5)支持短信配置與維護(hù)；
(6)支持本地和遠(yuǎn)程固件升級(jí)；
(7)具有連接時(shí)機(jī)可控功能，節(jié)約流量；
(8)支持本地和遠(yuǎn)程圖形化界面配置與維護(hù)；
(9)支持永遠(yuǎn)在線、空閑下線和空閑掉電三種工作方式；
(10)多重軟硬件可靠設(shè)計(jì)，復(fù)合式看門狗技術(shù)，使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。
4 監(jiān)控中心服務(wù)器
監(jiān)控中心服務(wù)器的功能是通過ZWG-68ZB網(wǎng)關(guān)設(shè)備與位于一線的端機(jī)設(shè)備進(jìn)行雙向通信。監(jiān)控中心服務(wù)器必須是能夠連接到互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算機(jī)，可為其申請(qǐng)固定IP或者動(dòng)態(tài)域名。
ZWG-68ZB網(wǎng)關(guān)設(shè)備上電后，會(huì)以TCP客戶端的方式自動(dòng)連接到監(jiān)控中心服務(wù)器。如果連接不成功會(huì)繼續(xù)重連，直到連接成功。
5 應(yīng)用案例
住宅小區(qū)的暖氣表通常在建筑物內(nèi)每戶一表，垂直安裝，所以特別適合SNAP網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)方式。而一個(gè)小區(qū)的樓宇之間相隔也不遠(yuǎn)，所以可以采用小區(qū)內(nèi)部ZigBee組網(wǎng)，集中通過一臺(tái)或多臺(tái)（視小區(qū)規(guī)模而定）GPRS-ZigBee網(wǎng)關(guān)與熱力公司的監(jiān)控中心通信，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程抄表、網(wǎng)上繳費(fèi)、遠(yuǎn)程監(jiān)控的全自動(dòng)化暖氣表管理系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)如圖5所示。
6 設(shè)備安裝注意事項(xiàng)
(1)設(shè)備使用GPRS無線方式通信，因此應(yīng)選擇在不屏蔽手機(jī)信號(hào)的地點(diǎn)安裝。
(2)ZigBee信號(hào)功率較小，對(duì)建筑物的穿透能力有限，所以端機(jī)安裝時(shí)要考慮ZigBee信號(hào)覆蓋的情況，如果無法覆蓋可以安裝無用戶設(shè)備的ZigBee設(shè)備，作為中繼器使用。
(3)不要在禁止使用射頻設(shè)備的場(chǎng)合使用該設(shè)備，例如加油站和醫(yī)院內(nèi)部。
GPRS-ZigBee的組網(wǎng)應(yīng)用，充分發(fā)揮了GPRS無通信距離限制和ZigBee成本低、無運(yùn)營費(fèi)用的優(yōu)點(diǎn)。降低了系統(tǒng)建設(shè)成本、節(jié)省了通信費(fèi)用、降低了端機(jī)功耗，所以GPRS-ZigBee作為新一代無線組網(wǎng)方案，適合于水電氣表的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)、城市環(huán)境監(jiān)測(cè)、燈光遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能家居、礦山監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。