基于GPRS的无线传感器网络网关的设计与实现
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摘要: 介绍无线传感器网络的体系结构，分析网关节点的特点和功能，在此基础上提出基于GPRS模块的网关实现方案。
介绍无线传感器网络的体系结构，分析网关节点的特点和功能，在此基础上提出基于GPRS模块的网关实现方案。[著者文摘]
关键词:无线传感器网络 网关 GPRS 嵌入式操作系统
传感检测系统
换的同时，可以承担组建和管理w sN网络的许多工
作。它具有如下主要功能：
(1)扫描并选定数据传输的物理信道，分配WSN内
的网络地址，发送广播同步帧，初始化WSN网络设置。
(2)配合wsN网络所采用的MAC算法和路由协
议，协助其它网络节点完成与邻居节点连接建立路由。
(3)完成不同网络之间的协议转换。
(4)对从各传感器节点接收的数据根据具体应用
需求和当前带宽，白适应地启动数据融合算法，降低数
据冗余度。
(5)处理来自监控中心的控制指令。
3网关节点的软硬件设计
WSN网关采用嵌入式系统，主要由嵌入式微处理
器、射频收发模块、GPRS通信模块、存储单元、嵌入式操
作系统以及应用程序等硬件、软件组成，如图2所示。
图2 网美的体系结构
3．1嵌入式处理器
网关的Mcu主要用来进行信息融合并完成协议
的转换，实现WSN与外部网络的通信。MCU采用Atmel
公司的AT91RM9200微处理器。AT91RM9200是基于
ARM920T指令集的ARM处理器，具有丰富V,J~b设以及
接口，这使得它在低成本、低功耗的条件下能完成一一些
功能丰富的应用。集成了许多外设接口，包括USB2．0接
口和以太网接口。该处理器提供多个符合工业标准的
通信接口，包括音频、闪存卡、智能卡接口等。
网关的操作系统采用网络化的嵌入式Linux，它是
一种开源的嵌入式实时操作系统。特别适用十网络应
用，很容易在其基础上开发自己的应用程序。
3．2射频收发模块
网络节点通信模块的功能采用CC2420射频收发
器来实现。CC2420是Chipcon AS公司推出的首款符合
2．4GHz IEEE 802．15．4标准的射频收发器，只需极少外部
元器件，性能稳定且功耗极低。利用此芯片开发的无
线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多
点对多点的快速组网。CC2420的主要性能参数如下：
(1)工作频带范围：2．400～2．4835GHz。
(2)采用IEEE 802．15．4规范要求的直接序列扩频方
58 ；WWW．auto—apply．com 自动化应用
式；0一QPSK调制方式。
(3)超低电流消耗(RX 19．7mA，TX：17．4mA)，高接收灵
敏度(一94dBm)。
(4)抗邻频道干扰能力强(39dB)。
(5)IEEE 802．15．4 MAC层硬件可支持自动帧格式生
成、16bits CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保
护。其MAC层的帧格式为：头帧+数据帧+校验帧；PHY
层的帧格式为：同步帧+PHY头帧+MAC帧。帧头序列的
长度可以通过寄存器的设置来改变。
(6)与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口o
CC2420只需要极少的外围元器件，其典型应用电
路如图3所示。
图3 CC2420的典型应用电路
RF的软件设计巾最主要的是CC2420数据收发的应
用程序。CC 2420的数据收发采用中断方式处理：当
CC2420收到节点的RF信号时，在主循环中进行软件置
位，接收中断响应，启动函数halRfReceivePacket接收数
据，存入缓冲区，并发送给AT9 1RM9200，完成RF数据接
收过程通信；当CC2420收~JAT91RM9200发送的数据或
命令信息时，在主循环中启动函数halRfSendPacket发
送，从而将数据发出，完成数据发送任务。CC2420接收
节点的RF信号的程序示例：
BYTE halRfReceivePacket(BYTE pData,BYTE pRssi．
BYTE pLqi，BYTEfimeOut)
BYTEi=0x00
ISFLUSHRX；／／确定接收缓冲区为0
ISFLUSHRX；／／再次确认重置SFD位
RFIF&：-IRQ_FIFOP；∥进入接收状态
Length=(RFD＆0x7F)；／／存储数据
for(i-0；i<(1ength一2)；i++)
pData【i]=RFD；
pRssi=RFD；／／接收信号的强度指示值
pLqi=RFD；／／CRC校验值
If(*pLqi&0x80)／／校验值正确，则进入下一个数据
{／／不正确，则返回
&#8943; &#8943; }
3．3 GPRS通信模块
为了能够将网络中的数据及时可靠地传到监控
中心，本设计采用GPRS(通用分组无线业务)实现与
Internet网连接。该方式具有永远在线、快速登陆、按流
量计费等优势。实际中采用Simcom公司生产的GPRS通
信模块sIM100E，该模块具有标准的AT命令接口，为
GSM语音、短信息以及GPRS数据业务提供无线接口。其
提供速率为300-1 15200。通过标准RS一232串口，使用AT命
令完成对模块的操作，实现数据的无线拨号GPRS连
接。连接的初始设置如下：
(1)初始化GPRS模块，与基站服务器建立连接。插
入SIM卡，在超级中端用AT+IPR=l 15200设置波率，然后
“AT+CGDCONT=I，1P，CMNET”命令定义PDP上下文，用
“A T+c G C L A S S：B”命令设置终端类型，用
“AT+CGACT=1”激活GPRS模块，返回OK。与基站服务器
建立了连接。
(2)与基站服务器建立ppp连接，通过TCP／IP数据包
与Internet传递数据。在操作系统中运行minicom，输入
Ctrl—A、Z，再按D就出现拨号界面，选择manual输入ISP的
电话号码：“*99料 1#”登陆到移动梦网网关GGSN上动
态分配~lintemet网的IP地址。SIM 100E与GGSN通信采用
点对点协议(PPP)，使用PPP协议登陆网关GGSN之后，
SIM100E模块就转入在线模式(On—line)，~LHCWSN网关
MCU发送的所有数据通过SIM 1 00E模块透明地传送给
了梦网网关GGSN，同样GGSN的应答信息也透明传回
WSN网关。从而实现WSN网关通过梦网网关GGSN与
Internet互联。
PPP协议提供了在串行点对点链路上传输数据的
方法，支持异步8位数据同步连接，目前逐渐成为点对
点网络的标准。数据帧结构如表1所示。
表1 PPP数据帧结构
开始标志地址控制协议代码ID 长度信 自、域校验结束标忐
0x7E 0xFF 0x03 (2B) (IB) (1B)(2B) (町变) (2B) 0x7E
传感检测系统
| 蠹罄鼍 曩|t l 罄|甏
为了建立点对点链路上的通信连接，发送端PPP
首先发送LCP帧，以配置和测试数据链路。在LCP建立
好数据链路并协调好所选设备后，发送端PPP发送NCP
帧，以选择和配置一个或多个网络层协议。当所选的网
络层协议配置好后，便可以将各网络层协议的数据包
发送到数据链路上。配置好的链路将一直处于通信状
态，直~L]LCP帧或NCP帧明确提示关闭链路，或有其它
的外部事件发生。连接建立后，PPP将在原有协议的基
础上调用网络协议(TCP／UDP协议)。考虑WSN节能的
需要，TCP协议建立需要大量交互信息，本WSN网关采
用UDP协议实现数据可靠传输。上述通信实现过程描
述如图4所示。
图4 W SN 网关拨号上网通信实现
PPP报文解析实现框架如下：
void ppp_ negotiate(void)
{if(pppStatus&IsFrame)／／已经得到一个PPP帧
{switch( (w0RD )(&InBufer【2]))／／判断是LCP、
PAP、IPCP或IP包
{caseLCP_PACKET：
LCP0；／／处J：~LCP包
casePAP_ PACKET：
If(InBuffer[4]~--0x02)，，验证成功
NoOperafion；
case IPCP_PACKET： ／／处理IPCP包
Handle_ IPCPO；
caseIP_ DATA： ／／处理IP包
(下转第62页)
自动化应用 2010 7期 59
传感检测系统
图3 激光测速仪在速度控制中的应用
3使用时遇到的问题与解决办法
(1)该测量仪的信号处理器与传感器探头之间的
连接只有一根特制电缆，该电缆为多芯电缆，进行检测
信号的传输和给探头供电。因此对外界的抗干扰性要
求特别严格，供电电源要有可靠的接地，避免周围出现
强电干扰。
(2)激光测速仪安装时一般距带钢1m左右，测速
仪探头必须与带钢平面垂直，每相差1。，将给仪表带
来0．015％的误差。安装角度可以通过底脚螺丝的位置
尺寸微调。安装好后， 先开架运行进行测试， 此时因
没有轧制力，架前与架后的带钢速度差应为0，可以此
确认激光测速仪的安装效果。
(3)光测速是一个动态的过程，带钢运行时的振动
会影响测量精度。在生产中，根据激光多谱勒技术的原
理，将激光测速仪的采样周期设为带钢振动周期的整
数倍，可以取得较好的滤波效果。
(4)激光测速仪实际的测量精度受工作环境影响
较大，由于冷连轧时要使用乳化液冷却轧制辊，带钢表
面常被乳化液覆盖，干扰了激光的发射与反射通道，通
过增加吹扫管和吹扫压缩空气改善带钢表面的环境，
提高测量精度。由于激光测速仪传感部分在60～70℃
的环境中工作，加上自身发热，水冷管的故障也将严
重影响激光测速仪的测量精度。
激光测速仪在厚度控制系统中的应用，能够有效
地消除测厚仪物理位置造成的控制滞后问题，使得模
型结果更加精确，控制响应更加快速，实现了真正的秒
流量平衡控制；激光测速仪参与常规的厚度控制后厚
度精度在同等基础上可提高0．1％ ～0．3％；通过控制各
机架的速度，可有效预防和发现轧机轧辊间或轧辊与
带钢间的打滑现象；使用激光测速参与自动厚度控制
的方法能较大程度地提高带材的产品质量和成品率。
因此，在冷轧薄板加工行业受到广泛欢迎。随着科学技
术的发展，这种控制技术的检测精度和响应时间还会
继续提高，给金属加工行业带来更高的成品率和更好
的产品质量。
【1】沈熊．激光多普勒技术及应用[M]．北京：清华大学出版
【2】华建新，王贞祥．全连续式冷连轧机过程控制【M 】．北
京： 台金工业出版社．2000
[3】周坚刚，李山青，许健勇．冷轧带钢板形自动控制概况
[J卜 界钢铁，2006
(上接第59页)
图5是监控中心记录下的通过网关传回的传感器
节点采集的温度值。传感器节点使用的温度传感器是
美国Dallas公司推出的单总线技术的数字温度计芯片
DS1822，它能测量一55～125℃的温度。
针对无线传感器网络特点，提出基于GPRS模块的
62 、^，、w，。auto—apply．com 自动化应用
w s N 网关节点的设计和实现方案。该方案采用
AT91RM9200与CC2420芯片为核心，利用内嵌TCP／IP协
议栈的GPRS模块SIM100E作为网络的数据出口，较好地
解决了WSN到监控中心的传输问题。
f1]蔡皓，冯仁剑，等．具有多种通信方式的无线传感器网
络网关&#8943; ．传感技术学报，)：169—172
[2】匡兴红，邵惠鹤．无线传感器网络网关研究【J】．计算机
工程，)：228—230
[3】欧杰峰，刘兴华．基于CDMA模块的无线传感网络网关
的设计【JI．计算机工程，)：115一l16
【4】朱莹，林基明．,~-Y-Zig Bee无线传感器网络网关的设
计与实现【J1．传感器与系统，)：80．81
[5]刘新平，董占勇，唐磊．基于GPRS的浅海无人采油平台
远程安全监控系统&#8943; ．工业控制计算机，)：
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求助：MC52iR3模块，连接GPRS出错，AT+CGATT=1 返回error
MC52iR3模块，连接GPRS出错，AT+CGATT=1 返回error
初始化时，详细的AT指令流程：
+CPIN: READY
+CSQ: 99,99
+CSQ: 22,99
AT+CGDCONT=1,&IP&,&CMNET&
AT+CGATT=1
AT+CGACT=1,1
AT+CGREG=1
这种情况框10次有7次出现，有3次就可以通过，小弟我实在不知道怎么回事了
顶一下，沉得太快了！
怎么都没人看呢？
我用SIM900 也有AT+CGATT，在SIM900上，AT+CGATT=1 为付着到GPRS上，AT+CGATT=0从GPRS分离。有时 AT+CGATT=1 也会出错，说明没有付着到GPRS上。有可能是信号不好，当第一次没有附着上的时候，我会多试几次。
<font color="#dhot 发表于
我用SIM900 也有AT+CGATT，在SIM900上，AT+CGATT=1 为付着到GPRS上，AT+CGATT=0从GPRS分离。有时 AT+CGATT= ...
谢谢提醒，我也用了多试几次的方式，可是会出现一旦第一次失败，后面的就会全部失败
没人看吗？
我发现换了动感地带的卡后，就很少出现不能连接到GPRS网络的情况，但是神州行卡就经常出现，郁闷啊
楼主问题解决了没呢 我的更严重 就没通过一次，用华为的模块就没问题能通过。。。。
楼主问题解决了没呢 我的更严重 就没通过一次，用华为的模块就没问题能通过。。。。 ...
最后总结应该是信号太弱的原因，换了地点后就没问题了。
PS：不过那个卡当时我用手机联网是没问题的，但是用模块就死活不行。
楼主可以先用AT+CGREG?命令查询一下 是否注册上了GPRS网络，一般来说，要等到模块成功注册上了GPRS网络 再去这样拨号
我用的SIM900a,也会出现这种情况，除了断电重启的办法，还有其他什么办法解决？
我用的SIM900a,也会出现这种情况，除了断电重启的办法，还有其他什么办法解决？ ...
主要是基站信号不好的原因
我就是使用重启的方式解决
楼主问题解决了没呢 我的更严重 就没通过一次，用华为的模块就没问题能通过。。。。 ...
楼主问题解决了没呢 我的更严重 就没通过一次，用华为的模块就没问题能通过。。。。
你的问题解决没，我也是这问题，不知道怎么解决，应该不是电源问题，我使用的是12V2A的电源经降压后给SIM900A供电，用示波器看电源也比较平稳。
要么就是SIM卡的问题，我用的是移动的4G卡
阿莫电子论坛, 原"中国电子开发网"Linux GPRS模块与3G模块的一些问题_Linux编程_Linux公社-Linux系统门户网站
你好，游客
Linux GPRS模块与3G模块的一些问题
来源：Linux社区&
作者：jiaqiang0411
使用GPRS模块时，需将minicom配置位ttyS0才能成功建立连接。
1.Linux下使用minicom对GPRS模块进行AT命令操作时,如下：AT&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& OK&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& AT+CMGF=0&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& OK&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& AT+CMGS=25&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& & D10FE6E058FDC89C1FF01(此处敲回车)&(此处敲Ctrl+Z)
正确的操作如下：AT+CMGF=0OKAT+CMGS=25& D10FE6E058FDC89C1FF01（此处敲Ctrl+Z）
+CMGS: 2&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& OK此时PDU短信发送成功3G模块也有相同的问题。
2. Windows下使用串口精灵进行AT命令操作时，短信内容结束需要键入的Ctrl+Z无法实现，键入0x1A无法得到正确的结果。
3G模块，linux下minicom(这里使用ttyUSB0和ttyUSB2都能成功发送text与PDU短信；使用ttyUSB1无法与模块建立连接)发text短信，正确的书写格式如下：ATOKAT+CMGF=1OKAT+CMGS=""(这里注意指令要大写，电话号码要带双引号)& LINUX 3G TTYUSB2（回车，也可直接键入Ctrl+Z）& (键入Ctrl+Z）
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参与本评论即表明您已经阅读并接受上述条款GPRS模块发送短信
&部分摘自华清远见网上资料。
GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。
GPRS模块，是具有GPRS数据传输功能的GSM模块。GPRS模块就是一个精简版的手机，集成GSM通信的主要功能于一块电路板上，具有发送短消息、通话、数据传输等功能。GPRS模块相当于手机的核心部分，如果增加键盘和屏幕就是一个完整的手机。普通电脑或者单片机可以通过RS232串口与GPRS模块相连，通过AT指令控制GPRS模块实现各种基于GSM的通信功能。
在超级终端输入：
返回OK则说明你的模块可以正常工作，否则出现故障。
第一、文本模式下发送短信流程
文本模式下发送信息基本分三步骤：
1.设置发送模式
CMGF为0是以PDU模式发送，为1则是以文本方式发送。
2.接收方电话号码
AT+CMGS=138XXXXxxxx
3.输入内容
注意：每敲完一条指令都要按回车，直到返回“&”后开始输入信息，但是在输入完短信内容后不能敲回车而应该按组合键“ctrl+z”作为结束符。回车键在ascii码中的数值是“\r”，“ctrl+z”在ascii码中的数值是“0x1a”,所以在编程时可以直接在信息内容后进行字符串拼接。
=====================================================
AT+CMGS=1380189xxxx
&hello word !
=====================================================
提示：AT指令不区分大小写，所以无论是大写还是小写都可以识别。
返回OK则说明你的模块可以正常工作，否则出现故障。
第二、PDU模式下发送短信流程
Pdu模式发送信息仍然是三步搞定，只不过我们在前期得做一些稍微麻烦的数据转换工作。
我们先来看流程理清脉络：
1.AT+CMGF=0&设置为PDU模式发送中文编码短信
2.AT+CMGS=信息长度
3.发送短信
======================================================================
AT+CMGS=25
&D74F90A534E6E058FDC89C1FF01
======================================================================
前面的我们容易理解：
“AT+CMGF=0”将发送模式置为PDU模式；
“AT+CMGS=25”这句CMGS后面跟的不再是电话号码了，而是“信息长度”，这里我加了双引号表示有独特的含义后面解释。
现在分析最关键的地方：
“D74FA534E6E058FDC89C1FF01”
我们可以将这段头疼的字符串分为三段：
-----------------------------------------------------------------------------------------
“0005F0&&&&&&&”&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&中心号码段
“0800”&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&收信方号码段
“0A534E6E058FDC89C1FF01”&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&信息段
-------------------------------------------------------------------------------------------
1.先来看中心号码段。
关于什么是中心号码我想百度比我解释的更清楚，这里不再赘述了。
我们其实还可以将其再细分：
08&&&&&&&&&&&91&&&&&&&&&&&F0
其中91是国际化的意思，这个作为前缀必须加上。
F0是什么意思呢？我们将它奇数位和偶数位反转看看：
熟悉吗？是中国移动北京地区的中心号码，86是中国地区的前缀这个大家应该清楚。F呢？因为在进行PDU编码的时候规定了如果号码位数是奇数位那么就要在末尾加F进行补齐，由于我们国家的手机号码位数都是11位，因此要在末尾补F。于是中国移动北京地区的中心号码加86补齐F再奇偶位反转最后加91国际化前缀就由原来的：
接着我们数一下它有多少位，16位，16/2=8，所以我们把整个中心号码组合编码后的长度除以2，最后以十六进制的表示方式加在它的前端就大功告成了。
“0005F0”
Ok搞定，下一步继续。
======================================================================
1.收信方号码段。
同样将其细分：
1100&&&&&&&0D91&&&&&&F9&&&&&&&&&&&000800
其中“1100”和“000800”分别是收信方号码段固定的前缀和后缀，所以一定要记得加上。
“F9”不用讲了，和中心号码段一样的编码方式，原型是：
“9”（华清远见北京总部执勤电话）。
“0D91”需要注意一下，其中这里的“91”和中心号码段的“91”意义不一样了，这里是表示接收方的设备是手机的意思，“81”则是小灵通。“0D”是一个十六进制数，还原为十进制后是13，什么意思呢？接受方的号码是“9”共13位。
因此接收方电话经偶数位&补齐F&
然后&奇数偶数位反转&
再&加上号码长度&
最后&加上前后缀&最终由：
“0800”。
======================================================================
2.信息段。
“0A534E6E058FDC89C1FF01”
信息段是最简单的，大家需要了解GPRS以PDU模式发送信息时，其内容是以unicode的方式编码的。
“534E6E058FDC89C1FF01”
还原成GB汉字编码为：
“华清远见！”
其编码（十六进制）长度是20位，20/2=10，10的十六进制表示方式是0X0A。因此信息段的最终编码为：
“0A534E6E058FDC89C1FF01”
如果把发短信比喻为一次快递的投递过程，那么过程如下：
首先是中心号码（相当于我们的邮局）；
接着是接收方号码段（相当于我们的收信人地址）；
最后是信息段（就是你的信件了）。
OK，组合结果就是：
“D74FA534E6E058FDC89C1FF01”
至此，PDU的编码就正式结束了。
不过我们还有最后一件事，那就是前面提到的那个“信息长度”。
邮局是国家的公有的，我们无权去干涉，但是收信人和信息是我们自己制定的，因此我们要精确掌握自己所属的信息。
于是我们将中心号码段剔除，变为：
“E058FDC89C1FF01”
计算一下字符串长度，50位。OK，50/2=25。
于是在PDU模式下，我们所谓的“信息长度”：AT+CMGS=25。
回顾一下PDU模式下的发信息流程：
======================================================================
AT+CMGS=25
&D74F90A534E6E058FDC89C1FF01
======================================================================
一定要记得最后输完信息编码后要按“ctrl+z”而不是回车。
我做GPRS模块实验，用的是NeoWay“有方”的GPRS模块，M660+。
短信中心号码，需要根据SIM所在地址更换，下面列举中国移动的短信中心号码，备查。
中国移动短消息中心号码大全
短消息中心号码&
北京 北京 &
天津 天津 &
河北 石家庄 &
山西 太原 &
内蒙古 呼和浩特 &
锡林浩特 &
阿拉善左旗 &
乌兰浩特 &
辽宁 沈阳 &
吉林 长春 &
黑龙江 哈尔滨 &
齐齐哈尔 &
上海 上海 &
江苏 苏州 &
浙江 杭州 &
安徽 滁州 &
福建 福州 &
江西 南昌 &
山东 青岛 &
河南 郑州 &
湖北 武汉 &
湖南 长沙 &
广东 广州 &
广西 南宁 &
海南 海口 &
重庆 重庆 &
四川 成都 &
贵州 贵阳 &
云南 昆明 &
陕西 西安 &
甘肃 兰州 &
青海 西宁 &
宁夏 银川 &
新疆 乌鲁木齐 &
克拉玛依 &
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