基于ZigBee協(xié)議的傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

施茂祺

（江西財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，婺源 332000）

0 引言

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，GSM、3G等無(wú)線通信技術(shù)以及藍(lán)牙、WiFi等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越被人們所熟悉和應(yīng)用。然而這些技術(shù)的系統(tǒng)一般非常復(fù)雜，功耗大、成本較高。而ZigBee技術(shù)以其無(wú)需布線，價(jià)格低廉，低功耗、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在許多的應(yīng)用場(chǎng)合，尤其在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面發(fā)揮其它網(wǎng)絡(luò)不可替代的作用[1]。本文就如何結(jié)合ZigBee技術(shù)和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸，做了系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

本文要實(shí)現(xiàn)的是ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)跳變傳輸實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，送至無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)解包和打包的格式轉(zhuǎn)換，發(fā)送到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上。主要設(shè)計(jì)工作是搭建傳輸系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)中要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)兩種硬件實(shí)物，其中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。文中網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)思想是采用ZigBee芯片中集成的8051內(nèi)核作為主處理芯片，與以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS相結(jié)合，將ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不通網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

請(qǐng)求和控制信息從以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)中傳來(lái)，經(jīng)過(guò)RJ-45接口送到以太網(wǎng)控制器RTL8019AS中，以太網(wǎng)控制器主要是將接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，得到原始的請(qǐng)求和控制消息，并送到微處理器中，微處理器根據(jù)相應(yīng)請(qǐng)求進(jìn)行處理，將處理后的消息再通過(guò)相反的過(guò)程傳到以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中，最后反映給用戶。

終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是利用ZigBee芯片的I/O口外接傳感器，并輔助設(shè)計(jì)它的外圍電路，編程口，電源供電等電路。設(shè)計(jì)中主要是設(shè)計(jì)并驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性及正確性，傳感器類型的選擇可以根據(jù)不同的應(yīng)用需求選擇和改變相應(yīng)的傳感器，增加系統(tǒng)的通用性。

基于系統(tǒng)對(duì)芯片的優(yōu)越性比較，我們ZigBee芯片選擇TI公司的CC2430芯片，以太網(wǎng)控制芯片選取臺(tái)灣RETLTEK公司的以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)ZigBee和以太網(wǎng)兩塊芯片的工作方式的分析，本系統(tǒng)的硬件接口采用8位的數(shù)據(jù)總線方式。鑒于CC2430的I/O的限制和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體的成本的考慮，采用口線模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取。

C2430有21個(gè)數(shù)字I/O口，能夠配置為通用的I/O口、計(jì)時(shí)器或串行通信口，輸入的上下拉能力以及外部中斷功能。作通用的I/O口時(shí)，可分配成3個(gè)8位的I/O口，分別命名為P0，P1和P2。P0和P1為完全的8位數(shù)據(jù)口，而P2口只有5位可用，所有的I/O口通過(guò)特殊功能寄存器，既可以位尋址也可以字節(jié)尋址。CC2430提供的三個(gè)I/O口，分別作8位數(shù)據(jù)，地址和控制。具體分配如下：

數(shù)據(jù)總線：P0口（P0.0 P0.7）

地址總線：P1口的低5位（P1.0 P1.4）

讀信號(hào)線：P2.2，通過(guò)該引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)的讀操作；

寫信號(hào)線：P2.1，通過(guò)該引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)的寫操作；

中斷口：P2.0為中斷的申請(qǐng)信號(hào)線，作為RTL8019AS的中斷申請(qǐng)信號(hào)端口。

RTL8019AS使用的是跳線的方式，它的外部接口形式已經(jīng)選定為數(shù)據(jù)地址總線方式，而CC2430沒有提供數(shù)據(jù)地址總線口，而只提供了普通I/O口功能，UART串行接口以及SPI的總線模式[2]。在不增加外圍器件的前提下，本設(shè)計(jì)選用了口線模擬的方式，用軟件的方式來(lái)模擬數(shù)據(jù)總線的讀寫時(shí)序，這樣節(jié)約了硬件成本。網(wǎng)關(guān)硬件接口設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件接口框圖

3 微帶線設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中微帶線設(shè)計(jì)參照的TI公司公布的2.4GHZ天線參數(shù)來(lái)完成的。CC2430采用的是2.4GHZ無(wú)線收發(fā)，天線的諧振頻率為2.45GHZ，天線的面積為 ，工作帶寬為100MHZ，天線的輻射效率超過(guò)90%[3]。

CC2430射頻信號(hào)的無(wú)線收發(fā)采用差分方式進(jìn)行傳輸，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)查得它的最佳差分負(fù)載是 ，具體參數(shù)阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個(gè)參數(shù)來(lái)進(jìn)行調(diào)整[4]。

4 電源設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中選取的芯片工作在兩個(gè)不同的電壓等級(jí)上，CC2430需要3.3V的工作電壓，而RTL8019AS需要5V的工作電壓，所用的電源適配器輸出電壓為9V，因此設(shè)計(jì)的電源要進(jìn)行電壓等級(jí)的變換由9V到5V和由9V到3.3V。設(shè)計(jì)選用的穩(wěn)壓芯片是SPX1117-5V和SPX1117-3.3V，分別完成從電源適配器9V電壓到5V和3.3V的電源降壓，以滿足整個(gè)電路的需要。電源適配器輸出電壓時(shí)9V時(shí)，分別經(jīng)過(guò)兩塊穩(wěn)壓芯片SPX1117-3.3(U4)和 SPX1117-5（U5），完成 9V到3.3V，9V到5V的電壓轉(zhuǎn)換，以滿足兩個(gè)芯片的工作電壓需要。穩(wěn)壓芯片僅需要一個(gè)阻值為0.33uF的電解電容和一個(gè)普通的0.1uF的普通電容就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓芯片的工作。電源電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)

5 復(fù)位設(shè)計(jì)

RTL8019AS和CC2430在開始工作的時(shí)候都需要復(fù)位。CC2430有三種復(fù)位方式：低電平，上電復(fù)位和看門狗復(fù)位，本設(shè)計(jì)采用給第一種方式，給復(fù)位引腳輸入低電平復(fù)位。RTL8019AS的復(fù)位要求復(fù)位引腳RSTDRV高復(fù)位，當(dāng)脈沖寬度小于800ns忽略不記。手動(dòng)復(fù)位電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

復(fù)位電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片SPX1117—5V的輸出引腳提供，當(dāng)按鍵S1沒有按下時(shí)，A點(diǎn)斷路，三極管的集電結(jié)截止不導(dǎo)通，B點(diǎn)為高電平；當(dāng)按鍵S1按下時(shí)，節(jié)點(diǎn)A處出現(xiàn)高電平，電阻R5，R6起到限流和分壓作用，三極管基極B高電平，基極和發(fā)射極之間BE導(dǎo)通，由于三極管的導(dǎo)通特性，CE極將導(dǎo)通，集電極被拉低，B點(diǎn)出現(xiàn)低電平，起到復(fù)位作用。這樣就會(huì)使系統(tǒng)的兩塊芯片均得到復(fù)位，滿足整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)位要求。

圖4 復(fù)位電路設(shè)計(jì)

6 終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)的作用是通過(guò)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度或數(shù)據(jù)，它傳輸數(shù)據(jù)的方式是依托ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)跳變傳輸模式傳遞。終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是利用ZigBee傳感器芯片CC2430，外接溫度傳感器DS18B20采集數(shù)據(jù)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)揭蕴W(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換在以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

終端節(jié)點(diǎn)的電路比較簡(jiǎn)潔，就是CC2430的基本外圍電路，外擴(kuò)傳感器接口，編程口接口，電源供電接口。CC2430的基本外圍電路已在前面的章節(jié)（4.3.1 小節(jié)）介紹過(guò)，在這里將不再贅述。需要說(shuō)明的是：CC2430的P1.2引腳連接溫度傳感器的DQ引腳，而終端節(jié)點(diǎn)的供電采用的電池盒供電，兩節(jié)干電池（3V）就可以滿足終端節(jié)點(diǎn)的供電需求。

7 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在兩個(gè)不同類型的網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸，要把傳輸?shù)臄?shù)據(jù)用兩種協(xié)議實(shí)現(xiàn)各自的打包和解包，并在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。網(wǎng)關(guān)的程序設(shè)計(jì)包含ZigBee和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的打包和解包程序，以及相關(guān)設(shè)備的初始化和中斷程序。

主程序在初始化以后就進(jìn)入等待接受中斷請(qǐng)求，判斷請(qǐng)求后進(jìn)入各自的中斷服務(wù)程序中，分別處理ZigBee數(shù)據(jù)的發(fā)送請(qǐng)求和TCP/IP的數(shù)據(jù)的發(fā)送請(qǐng)求。

當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送ZigBee數(shù)據(jù)包到網(wǎng)關(guān)時(shí)，網(wǎng)關(guān)產(chǎn)生終端請(qǐng)求，調(diào)用接收Z(yǔ)igBee數(shù)據(jù)包函數(shù)，經(jīng)MCU處理后解包出ZigBee數(shù)據(jù)，再通過(guò)以太網(wǎng)部分，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)到TCP/IP的打包封裝，發(fā)送到以太網(wǎng)芯片進(jìn)行處理，把數(shù)據(jù)寫到RTL8019相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)，然后啟動(dòng)RTL8019發(fā)送TCP/IP數(shù)據(jù)包。將數(shù)據(jù)包發(fā)完以后，重新設(shè)置標(biāo)志位和中斷控制，返回等待中斷狀態(tài)。

8 結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)的通過(guò)對(duì)ZigBee協(xié)議的研究和分析，設(shè)計(jì)了結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系統(tǒng)，對(duì)研究中所涉及的各項(xiàng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和說(shuō)明。通過(guò)傳輸系統(tǒng)的可行性的實(shí)驗(yàn)性驗(yàn)證，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有功能完善、性能可靠、接線簡(jiǎn)單、使用方便、控制靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。該傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)是具有可行性的，本文中網(wǎng)關(guān)和終端節(jié)點(diǎn)適合低速率，短距離的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

[1] 李文仲, 段朝玉,等. zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)踐[M].北京: 北京航空航天出版社, 2007.

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