基于ZigBee的單兵終端無線局域網通信模塊設計

閆沖沖，郝永生

（軍械工程學院 導彈工程系，河北 石家莊 050003）

現代戰爭中，戰場感知已經成為戰場指揮系統的重要組成部分。所謂戰場感知，是指參戰在部隊和支援保障部隊對戰場空間內敵、我、友各方的兵力部署、武器配備和戰場環境（如地形、氣象和水文）等信息的實時掌握過程。戰場感知除了具有傳統的偵查、監視、情報、目標指示與毀傷評估等內容以外，它的最大特點就在于信息共享和信息資源的管理與控制。利用無線傳感網能夠實時掌握戰場和士兵的各種信息，繼而了解戰局的發展，從而控制戰場局勢，立于不敗之地。

1 ZigBee簡介

針對各單兵節點信息多元化、復雜化的特點，采用ZigBee來組建無線網絡連接，而指揮機作為實現大型指揮終端與各單兵節點之間通信的樞紐，負責通過GPRS網絡將獲得的單兵節點相關信息反饋給車載指揮終端，再將指揮終端下達的作戰指令分析處理后分配給各單兵節點，指揮其完成作戰任務。這樣，實現各個系統之間的戰場態勢信息共享，提高戰場作戰效率。其功能原理圖如圖1所示。

ZigBee是近年來發展迅速的基于無線傳感網絡的近距離、低功耗、低成本、低復雜度的無線通信技術[1]。協議定義了兩種類型的設備——全功能設備 （FFD），精簡功能設備（RFD）。全功能設備可作為網絡的協調器、路由器，實現FFD功能需要足夠的計算能力和存儲能力。RFD設備功能簡單，由單片機就能完成。FFD設備之間可以相互通信，RFD設備只能與FFD設備通信，其主要特點如下：

圖1 功能原理圖Fig.1 Chart of function and elements

1）功耗：通訊模塊的工作耗電低；

2）成本：協議棧簡單，并且通信模塊的單位成本低；

3）網絡容量：網絡中允許65 000多個ZigBee設備存在；

4）實時性：可以滿足實時性要求為10 ms量級的系統；

5）工作頻段：可在 2.4 GHz、868 MHz（歐洲）及 915 MHz（美國）等免執照頻段工作；

6）安全性：標準提供了數據完整性檢查和加密功能，并可以靈活準確定義安全屬性。

近年來，無線通信技術飛速發展，事實上，短距離通信具有多種技術方式。表1所列是幾種短距離無線通信技術的比較。在表1所列的幾種技術中，基于IEEE802.15.4協議的ZigBee技術起源于本世紀初的一種具有代表性的短距離無線通信技術標準，其PHY層與MA C層協議由IEEE802.15.4工作小組制定 ，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發應用則可根據用戶自己的應用需要來進行開發，因此，該技術能夠為用戶提供更加靈活機動的組網方式。

表1 各種短距離無線通信技術的比較Tab.1 Compare among several techniques of short-haul wireless communications

2 系統功能及總體結構

本系統硬件框圖如圖2所示，主要有ARM9控制器，觸摸屏顯示模塊，ZigBee無線收發模塊，GPRS模塊等組成。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Frame of system hardware

2.1 ARM智能控制模塊

本系統采用三星公司S3C2440A芯片作為處理器，利用三星公司的K9F1208芯片作為程序及數據的存儲芯片。用兩片日本現代公司的HY57V561620作SDRAM。S3C2440芯片具有以下特點：

1）含有 MMU，支持 Linux，WinCE，EPOC32 等操作系統；

2）含有1 G字節的地址空間；

3）主頻可達 400 MHz；

4）3 個通用異步收發器（UART）；

5）LCD控制單元和觸摸屏接口。

綜合以上諸多因素，該處理器完全可以滿足系統終端的要求，含有LCD控制器和觸摸屏接口，方便了人機界面的設計。含有MMU單元，可以移植μC/OS－II操作系統，保證了控制器的高效性和穩定性。

K9F1208flash有64 M字節的存儲容量，支持快速讀寫，讀取每個字節數據時間只需 12 μs， 寫入時間是 200 μs。HY57V561620是32 M的SDRAM，利用兩片芯片使本系統具有64 M的SDRAM，作為內存單元供系統運行時使用。

2.2 ZigBee無線傳輸模塊

無線收發芯片采用Chipcon公司生產的CC2430。CC2430芯片除了整合ZigBee射頻前端、內存和微控制器外，還具有128 kB可編程內存和8 kB的RAM、模擬數字轉換器（ADC）、定時器（Timer）、AES－128 協同處理器、看門狗定時器以及21個可編程I/O引腳等[3]。因此選擇CC2430作為無線收發部分，使用起來非常容易上手。由于CC2430的高度集成度，外圍需要很少的器件可以組成最小系統。它結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協議棧、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。其產品廣泛應用于汽車、工控系統、家居系統和無線傳感器網絡等各個領域[4]。

2.3 GPRS通信模塊

GPRS即通用分組無線服務技術，是一種以GSM為基礎數據傳輸技術。用戶永遠在線且按流量、時間計費，通信成本低等優點，使GPRS技術成為遠程無線數據傳輸的最佳選擇。這里GPRS模塊主要功能是通過GPRS網絡實現ARM控制器與車載指揮終端之間的數據交換。系統選用西門子公司的MC39iGPRS終端，它設計小巧、功耗很低，具有RS232接口，可以通過串口與S3C2440A相連，此外，它的配件有天線，電源，支持短信收發、語音、傳真、GPRS上網、數據傳輸等功能[5]。

3 系統軟件設計

系統主程序流程圖如圖3所示，系統應用程序主要由一系列相應功能的子程序組成，主要包括信息采集程序、ZigBee無線通信程序、GPRS無線通信程序等。

3.1 移植μC/OS-II操作系統

μC/OS－II的移植過程需要解決的主要問題有：數據類型的重定義，堆棧結構的設計，任務切換時的狀態保存與恢復等。S3C2440A處理器完全滿足μC/OS－II的移植要求，需要完成的工作非常簡單，修改3個和處理器相關的文件即可。這3個文件是：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM[6-7]。 具體過程如下：

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

1）設置OS_CPU.H中與處理器和編譯器相關的代碼。

2）在OS_CPU_C.C中編寫6個與操作系統相關的函數。

3）在OS_CPU_A.ASM文件中編寫4個與處理器相關的函數。

完成以上工作之后，嵌入式實時操作系統μC/OS-II就可以工作了。

3.2 ZigBee協調器和GPRS模塊軟件設計

系統的主程序流程圖[9]如圖4所示。

圖4 ZigBee協調器及GPRS模塊主程序流程圖Fig.4 Flow chart of the Zigbee coordinator and the GPRS module’s main program

在本系統中，指揮機實際上是充當一個ZigBee協調器和GPRS通信終端的角色，不僅要完成ZigBee無線網絡的功能，還要充當與車載指揮終端的聯絡。ZigBee模塊主要用于建立無線網絡，分配地址，向終端節點發送控制命令和終端節點的工作狀態，并將接收到的狀態數據全部上傳至指揮機，最后通過GPRS網絡傳送到車載指揮終端。

本設計中采用AT命令開發ZigBee，AT命令是通過把ZigBee協議和AT命令固化到網關CC2430模塊中，然后通過其他ARM終端的串口與CC2430的串口相連，再通過AT命令集控制整個無線傳感網絡的。而微處理器S3C2440A也是通過執行AT命令，由串口向GPRS模塊發送控制命令，以完成網絡接入。AT命令的格式[8]如表2所示。

表2 AT命令格式Tab.2 Format of AT order

4 結束語

筆者提出了基于ZigBee的單兵終端無線局域網通信模塊的設計和實現方案，該方案采用低功耗ARM處理器S3C2440A為核心，使用CC2430模塊在各個單兵節點之間組建局域網絡，同時利用GPRS實現指揮機節點與大型指揮終端的遠程通信，從而實現了戰場態勢共享的網絡共享，與原有依靠無線電臺來進行通信的手段相比，大大提高了作戰單位與指揮終端之間的信息共享能力，從而間接提高了作戰效率。

[1]歐明，魏臻.S3C2410在ZigBee無線通信中的應用[J].科學技術與工程，2007，9（17）:4307-4310.

OU Ming，WEI Zhen.Application of S3C2410 in The ZigBee wirelesscommunication[J].ScienceTechnologyandEngineering，2007，9（17）:4307-4310.

[2]張仲麟.ZigBee技術在電力無線抄表系統中的應用[J].電子元器件應用，2009，4（4）:34-36.

ZHANG Zhong-lin.Application of ZigBee technique in electrical wireless excerption system[J].Electronic Component&Device Applications， 2009，4（4）:34-36.

[3]張西紅，周順，陳立云，等.無線傳感網技術及其軍事應用[M].北京：國防工業出版社，2010.

[4]汪玉鳳，馮澤中.基于S3C2440A和ZigBee技術的智能家居系統[J].微計算機信息，2010（102）:35-37.

WANG Yu-feng，FENG Ze-zhong.The smart home system based on S3C2440A and ZigBee technology[J].Control&Automation， 2010（102）:35-37.

[5]李瑩，趙雙華.基于ARM的室內溫度控制系統的設計與實現[J].計算機系統應用，2010（9）:245-247.

LI Ying，ZHAO Shuang-hua.Design and implementation of ARM-based indoor temperature control system[J].Computer Systems&Applications， 2010（9）:245-247.

[6]郭愛煌，李廣宇，陳志雄.基于GPRS的無線數據傳輸嵌入式系統設計[J].計算機工程，2009，35（18）:260-262.

GUO Ai-huang， LI Guang-yu， CHEN Zhi-xiong，et al.Design of embedded syetem for wireless data transmission based on GPRS[J].Computer Engineering，2009，35 （18）:260-262.

[7]盛建強，吳方，賴育晉，等.基于ZigBee和ARM處理器的實驗樓宇監控系統[J].計算機與現代化，2009（12）:137-139.

SHENG Jian-qiang， WU Fang， LAI Yu-jin，et al.Monitoring control system of laboratory based on ZigBee and ARM microcontroller[J].Computer and Modernization，2009 （12）:137-139.

[8]李文仲，段朝玉.ARM9微控制器與嵌入式無線網絡實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[9]戚文革，劉林山.嵌入ZigBee礦井安全監控無線網絡控制器設計[J].武漢理工大學學報，2009，7（13）:146-149.

QI Wen-ge，LIU Lin-shan.Design of mine safety monitoring wireless network controller based on the ZigBee technology[J].Journal of Wuhan University of Technology，2009，7（13）:146-149.