基于ZigBee和GSM的短信控制开关系统的设计和实现

刘焕强， 耿 鹏， 徐亚峰， 顾晓峰*， 何 磊

(1.江南大学轻工过程先进控制教育部重点实验室，江苏无锡214122;2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州215123)

ZigBee网络技术具有低成本、低功耗、低传输速率的特点，并支持多种网络拓扑结构［1］。随着物联网技术应用范围的扩展，ZigBee技术吸引了越来越多的注意［2］。目前，ZigBee技术的应用大多集中于工农业等领域，在人们日常家居生活中的应用也在日渐增多［3］。

通过组建ZigBee个域网，结合成熟的全球移动通信系统(GSM)技术去控制ZigBee网络的网关，可远程实现对各个ZigBee终端的控制［4］。这种小规模的网络对节点需求比较少，对数据量要求也不高，而且安全可靠，特别适合在家庭中使用［5］。作者设计了一种基于GSM短信控制的ZigBee开关系统，通过短信服务(SMS)远程控制终端电气设备的开关状态，经测试，验证了系统的可行性。

1 系统整体结构

一个ZigBee网络最多包括255个节点，每个网络中包括若干终端节点和路由节点，通过网络协调器整体的网络节点最多可以达到65 000个［6］。ZigBee网络有星状、树状和网状3种拓扑结构，无论哪一种网络拓扑结构，每个独立的网络都有唯一的网络号(PAN ID)［7］。本系统采用 ZigBee网络中的网状拓扑结构，ZigBee网络中的协调器只是用来建立一个网络，网络建成后协调器作为一个普通的路由节点在网络中运行。如图1所示，系统由终端、路由节点、网关和手机4个部分组成。其工作过程如下:手机通过GSM网络发送一条包含终端标识和控制命令的短信给短信网关，短信网关再通过ZigBee网络将其无线发送给目标终端;如果距离比较远，无线信号会通过终端的上级路由节点进行中继，目标终端根据收到的命令执行一定的动作，如开、关灯。

图1 系统结构示意图Fig.1 Schematic structure of the system

2 硬件设计

2.1 终端节点

系统中的无线传输模块主要由德州仪器(TI)公司提供的CC2430芯片组成。CC2430芯片在单个芯片上整合了MCU(8051)、32/64/128 KB可编程Flash和8 KB的RAM，还包含模数转换器(ADC)、定时器(Timer)、AES协同处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power Out Detection)及21个可编程的I/O引脚［8］。

如图2所示，终端节点硬件电路主要由7805稳压芯片、ZigBee通信模块、电磁继电器等组成，其中ZigBee通信模块的射频电路如图3所示。由于路由节点和网关节点也需用到该部分，因此将其独立设计至一个印刷电路板上，与其它器件间通过引线连接。电源供给通过AC-DC电源适配器将220 V交流电转换为12 V直流电，7805稳压芯片提供一个5 V的ZigBee通信模块驱动电压，电磁继电器则通过ZigBee通信模块内部8051单片机的I/O口发送控制命令，实现开关动作。

图2 终端节点电路Fig.2 Circuit diagram of end-device node

图3 ZigBee通信模块射频电路Fig.3 RF circuit of ZigBee communication module

2.2 路由节点

路由节点主要也是由CC2430芯片组成，其结构比较简单，在芯片外围加上射频天线模块、阻抗匹配模块、供电模块等即可工作，如图4所示。另外，在路由节点加了LED灯，用来指示网络的加入情况，亮灯表明路由节点已经加入网络。

图4 路由节点示意图Fig.4 Schematic diagram of router node

2.3 短信网关

短信网关部分主要由ZigBee通信模块、GPRS模块和电源管理模块等组成，其中ZigBee模块与GPRS模块通过串口相连，如图5所示。

图5 短信网关节点示意图Fig.5 Schematic diagram of SMS gateway node

3 软件设计

系统软件部分设计的关键是短信网关的设计。短信网关一方面能解析手机短信内容将其转换为ZigBee网络控制命令，一方面将ZigBee网络中数据进行转换发送至手机，因此短信网关是GSM网络和ZigBee网络之间通信的“中转站”。短信网关的主要工作流程如图6所示。

网关开机后，首先进行软硬件的初始化;接着搜索周围网络，网关的 ZigBee模块加入合适的ZigBee网络，GPRS模块加入GSM网络;成功加入网络后，GPRS模块等待接收短信;收到短信后通过串口通知ZigBee模块，ZigBee模块发送相应串口命令取出短信内容;若为“合法”短信，发送控制消息至指定ZigBee终端，从而控制终端设备的开关状态，否则将短信删除，继续等待接收消息。

图6 短信网关工作流程Fig.6 Flowchart of SMS gateway

3.1 网络的启动

路由节点开机启动后，首先单跳广播一条地址请求消息(Cluster ID:RefNode_Addr_Req)给邻近的所有网关(单跳范围内)。网关接收到地址请求消息后，回复一条包含自己网络地址的消息(Cluster ID:RefNode_Addr_Rsp)给该节点。节点仅处理收到的第一条回复消息(即可近似推测其来自通信效果最佳的网关)，以此消息所包含的网络地址作为上报消息的目标地址［9］。

网关开机启动后，首先单跳广播一条扫描请求消息(Cluster ID:RefNode_Scan_Req)给附近的路由节点、协调器节点(单跳范围内)。节点接收到扫描请求消息后，执行上面开机启动后的操作。主要的实现程序代码如下:

上述代码的功能为网关的扫描，在初始化和收到网关扫描请求时调用。

接收到网关回复后提取网关地址作为目标地址的实现代码如下:

3.2 网关短信处理程序

短信格式包括消息类型和终端地址，程序中将终端地址宏定义为易于编写和记录的符号:

#define A 0x14 3E

#define B 0x28 7B

短信消息类型如表1所示。

表1 消息类型Tab.1 Message types

例如，按照上表格式用手机编辑短信A1 01 A发送到网关，GPRS模块收到该短信后会从串口发送给ZigBee模块一条提示信息，网关程序中通过AT+CMGR命令读取短信内容［10］，然后根据消息的格式将命令无线发给终端。

短信从GPRS串口取出后的处理过程如下:

目标地址存在CMD数组第10和第11位:CMD［9］ =0x14，CMD［10］ =0x3E，因此上面的程序最终会将开灯的命令(即前面发送的短信A1 01 A)发送给目标终端0x14 3E，从而控制灯的打开。

实际上单个终端节点可以控制多路设备。一个I/O口连接一个受控设备，扩展多个I/O口就可控制多路设备，甚至I/O口通过扩展其它MCU可控制更多路的设备。相应地，手机发送的控制命令就要在原命令的基础上扩展一个或多个字节，一个字节有8位，而每一位可代表一个设备的开关状态，因此一个字节可同时控制8路设备的开关状态。根据受控设备的数目在控制命令中添加相应字节数，就可以实现同时对多个设备开关的控制。

4 结语

基于ZigBee网络技术设计了一种开关系统，实现了通过短信来控制终端设备的功能。对系统的终端节点、路由节点和网关作了硬件设计，并在ZigBee协议栈的基础上针对具体应用改进了软件设计。将ZigBee网络与GSM网络结合，可有效地结合两者的优势，而且系统组网操作简单易行，具有较高的实用价值。同时，系统的可扩展性比较强，经过对终端软件改进可以方便地增加其他应用［11-12］，如定位、温湿度数据采集等。

［1］万力，王鹏.基于Zigbee技术的温湿度监测网络设计与实现［J］.低压电器，2010(10):30-33.

WAN Li，WANG Peng.Design and realization of temperature and humidity monitoring network based on ZigBee［J］.Low Voltage Apparatus，2010(10):30-33.(in Chinese)

［2］PAN M S，Tsai C H，Tseng Y C.The orphan problem in ZigBee wireless networks［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2009，8(11):1573-1584.

［3］王敦锋，朱名日，庾志衡，等.基于ARM-Linux和ZigBee的自动煮糖数据采集系统［J］.仪表技术与传感器，2011，1(1):45-48.

WANG Dun-feng，ZHU Ming-ri，YU Zhi-heng，et al.Automatic control system for refining sugarcane based on embedded ARMLinux and ZigBee［J］.Instrument Technique and Sensor，2011，1(1):45-48.(in Chinese)

［4］周怡颋，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨［J］.自动化仪表，2005，26(6):5-9.

ZHO Yi-ting，LING Zhi-hao，WU Qin-qin.ZigBee wireless communication technology and investigation on its application［J］.Process Automation Instrumentation，2005，26(6):5-9.(in Chinese)

［5］董海涛，屈玉贵，赵保华.Zigbee无线传感器网络平台的设计与实现［J］.电子技术应用，2007(12):124-126.

DONG Hai-tao，QU Yu-gui，ZHAO Bao-hua.Design and implementation of Zigbee wireless sensor network platform［J］.Application of Electronic Technique，2007(12):124-126.(in Chinese)

［6］李劲，程绍艳，李佳林，等.基于ZigBee技术的无线数据采集网络［J］.测控技术，2007(8):63-65.

LI Jin，CHENG Shao-yan，LI Jia-lin，et al.Wireless sensor network based on ZigBee technology［J］.Measurement＆ Control Technology，2007(8):63-65.(in Chinese)

［7］ ZigBee Alliance Inc. 053474r17 ZigBee Specification: ZigBee Document［S］. San Ramon:ZigBee Standards Organization，2007.

［8］宁炳武，刘军民.基于CC2430的Zigbee网络节点设计［J］.电子技术应用，2008(3):95-99.

NING Bing-wu，LIU Jun-min.The design of Zigbee network nodes based on CC2430［J］.Application of Electronic Technique，2008(3):95-99.(in Chinese)

［9］Tadakamadla S.Indoor local positioning system for zigbee，based on RSSI［J］.Electrical Engineering，2006，6(10):135-143.

［10］Halonen T，Romero J，Melero J.GSM，GPRS and EDGE performance:evolution towards 3G/UMTS［M］.USA:Wiley，2003.

［11］张水平，李晓波，张凤琴，等.ZigBee在多传感器信息集成中的应用［J］.计算机工程与设计，2012，33(1):41-46.

ZHANG Shi-ping，LI Xiao-bo，ZHANG Feng-qin，et al.Application of ZigBee in multi-sensor information intergrating［J］.Computer Engineering and Design，2012，33(1):41-46.(in Chinese)

［12］董庆贺，何倩.基于ZigBee的无线温度监测系统设计［J］.计算机应用，2011，31(12):206-208.

DONG Qing-he，HE Qian.Design of wireless temperature monitoring system based on ZigBee［J］.Journal of Computer Applications，2011，31(12):206-208.(in Chinese)