一種ZigBee－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

王玉宏，張雪梅

(1.太原羅克佳華工業(yè)有限公司電子中心，山西 太原 030032;2.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子系，山西 太原 030006)

物聯(lián)網(wǎng)，即物物相連的網(wǎng)絡(luò)，目前已廣泛應(yīng)用于公共安全、智能交通、智能樓宇和環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域。ZigBee是一種低速率、低功耗、網(wǎng)絡(luò)容量大、節(jié)點(diǎn)間能夠進(jìn)行群體協(xié)作，網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)自愈能力的無(wú)線通信技術(shù)［1］，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中得到了廣泛使用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和推廣，解決物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的異構(gòu)互聯(lián)，在物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間建立一個(gè)透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，為現(xiàn)場(chǎng)非IP物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入IP網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)保證，也將成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)由LM3S6911微處理器單元、系統(tǒng)電源單元電路、JTAG接口單元電路、RS232接口單元電路、以太網(wǎng)接口單元電路和ZigBee射頻模塊組成，網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)如圖1所示。由于ZigBee射頻電路需要進(jìn)行2.4 GHz射頻電路設(shè)計(jì)，因此把ZigBee射頻電路部分進(jìn)行了獨(dú)立設(shè)計(jì)，射頻電路板通過(guò)排針與主控板相連接。

1.2 主控板電路設(shè)計(jì)

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件架構(gòu)圖

主控板設(shè)計(jì)選用高性能、低成本ARM Cortex－M3嵌入式微處理器LM3S6911［2］，其內(nèi)置一個(gè)完全集成了媒體訪問(wèn)控制層(MAC)和網(wǎng)絡(luò)物理層(PHY)的10/100 MHz以太網(wǎng)控制器，遵循IEEE802.3協(xié)議規(guī)范，MAC層提供以太網(wǎng)幀的發(fā)送和接收處理，PHY層只需要一個(gè)雙路1∶1隔離變壓器就能夠與以太網(wǎng)線路連接。設(shè)計(jì)中使用內(nèi)置磁性隔離變壓器的RJ45以太網(wǎng)連接器HR911105A與LM3S6911處理器的PHY直接相連，使得以太網(wǎng)外圍接口電路簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，主控板電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 主控板電路設(shè)計(jì)圖

LM3S6911同時(shí)提供兩個(gè)同步串行接口(SSI)和3個(gè)通用異步收發(fā)器(UART)，設(shè)置SSI0為SPI接口，通過(guò)SPI總線與ZigBee射頻模塊相連接。由于ZigBee－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需要對(duì)其進(jìn)行參數(shù)配置后才能正常工作，設(shè)計(jì)使用LM3S6911的UART0作為配置串行端口。

1.3 射頻模塊電路設(shè)計(jì)

ZigBee射頻模塊電路選用TI公司的2.4 GHz IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用片上系統(tǒng)解決方案專用芯片CC2530［3］，CC2530 能 夠以較低的成本構(gòu)建強(qiáng)大的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置了性能優(yōu)良的IEEE 802.15.4兼容無(wú)線射頻收發(fā)器和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU內(nèi)核。

為增強(qiáng)ZigBee射頻模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度，在射頻電路設(shè)計(jì)中增加了2.4 GHz射頻前端芯片CC2591［4］，CC2591內(nèi)置了功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)，使輸出功率可達(dá)22 dBm，接收靈敏度可達(dá)－98.8 dBm，擴(kuò)展了ZigBee無(wú)線射頻信號(hào)的傳輸距離。

CC2530的RF輸入輸出為高阻抗差分信號(hào)，CC2591除了內(nèi)置PA、LNA和RF開(kāi)關(guān)電路外，還內(nèi)置了巴倫電路和RF匹配網(wǎng)絡(luò)，這使得在配合少量的外圍被動(dòng)器件，能夠與CC2530進(jìn)行良好的RF匹配，簡(jiǎn)化了無(wú)線射頻電路設(shè)計(jì)，降低了射頻電路中由于被動(dòng)器件參數(shù)誤差造成的無(wú)線信號(hào)衰減，射頻模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 射頻模塊電路設(shè)計(jì)圖

為達(dá)到最佳射頻性能，CC2591電源引腳AVDD_PA1、AVDD_PA2和 AVDD_LNA 電源去耦器件 C6、C7、C8、L3、L4、TL1、TL2和 TL3必須被使用，其中 TL1、TL2和TL3為PCB走線感抗等效值，近似值分別為T(mén)L1=0.66 nH，TL2=0.87 nH，TL3=2.52 nH，C5對(duì) AVDD_BIAS進(jìn)行去耦。

CC2591 的射頻輸出引腳通過(guò) L5、C9、C10、C11和 L6組成的網(wǎng)絡(luò)與外接50 Ω天線進(jìn)行阻抗匹配，其中L5和C9組成濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波，C10起隔直作用，C11進(jìn)行高頻濾波，L6進(jìn)行低頻濾波［5］。

ZigBee在2.4 GHz頻段最大傳輸速率是250 kbit·s－1，設(shè)計(jì)中射頻模塊通過(guò)CC2530的SPI接口與主控板相連接，可滿足ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 主控板軟件設(shè)計(jì)

主控板軟件設(shè)計(jì)在LM3S6911微處理器上移植了μC/OS －II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，μC/OS －II［6］是一個(gè)開(kāi)放源碼的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，但它只是一個(gè)實(shí)時(shí)的任務(wù)調(diào)度及通信內(nèi)核，缺少對(duì)外圍設(shè)備和接口的充分支持。為獲得對(duì)以太網(wǎng)接口的支持，在其上移植了 LwIP(Light Weight IP)TCP/IP 協(xié)議棧。LwIP［7］是一套用于嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)放源代碼的TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)上減少對(duì)RAM的占用，適合在低端嵌入式系統(tǒng)中使用。

在設(shè)計(jì)中基于μC/OS－II操作系統(tǒng)，同時(shí)編寫(xiě)了SPI通信驅(qū)動(dòng)程序和串口通信驅(qū)動(dòng)程序，其中SPI驅(qū)動(dòng)程序用于和ZigBee射頻模塊進(jìn)行通信，串口驅(qū)動(dòng)程序用于提供網(wǎng)關(guān)的串口配置功能。主控板軟件工作流程如圖4所示。

其中 OSTaskCreate(taskStart，…)為 μC/OS －II操作系統(tǒng)第一個(gè)任務(wù)，在其中要進(jìn)行目標(biāo)板和TCP/IP的初始化，并建立以太網(wǎng)通信處理任務(wù)taskNet、SPI通信處理任務(wù)taskSPI和串口通信處理任務(wù)taskUART，最后通過(guò)OSStart()啟動(dòng)μC/OS－II內(nèi)核。以太網(wǎng)通信處理任務(wù)taskNet啟動(dòng)LwIP協(xié)議棧，完成TCP和UDP相關(guān)通信服務(wù);SPI通信處理任務(wù)taskSPI完成通過(guò)SPI總線與ZigBee射頻模塊的通信;串口通信處理任務(wù)taskUART完成網(wǎng)關(guān)參數(shù)配置相關(guān)工作。

圖4 主控板軟件工作流程圖

2.2 射頻模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee射頻模塊軟件設(shè)計(jì)是基于CC2530芯片，移植了 TI公司的 ZigBee協(xié)議棧 Z －Stack，Z －Stack［8］協(xié)議棧采用輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，包括系統(tǒng)初始化和操作系統(tǒng)的執(zhí)行，系統(tǒng)初始化完成初始化硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需要的各個(gè)模塊，為操作系統(tǒng)的運(yùn)行做好準(zhǔn)備工作，系統(tǒng)初始化完成后，就開(kāi)始執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序。輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)專門(mén)分配了存放所有任務(wù)事件的tasksEvents［］數(shù)組，每個(gè)單元對(duì)應(yīng)存放著每一個(gè)任務(wù)的所有事件，操作系統(tǒng)通過(guò)一個(gè)do－while循環(huán)來(lái)遍歷tasksEvents［］，找到優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)來(lái)處理，射頻模塊軟件工作流程如圖5所示。

2.3 SPI通信協(xié)議設(shè)計(jì)

ZigBee射頻模塊通過(guò)SPI總線和主控板進(jìn)行通信，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中配置主控板為SPI主機(jī)，射頻模塊為SPI從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)之間的雙向通信均采用應(yīng)答和超時(shí)重發(fā)機(jī)制。根據(jù)SPI總線傳輸協(xié)議，從機(jī)不能主動(dòng)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，所以采用一個(gè)主機(jī)和從機(jī)之間相連的GPIO口，來(lái)配合完成從機(jī)向主機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送功能，主機(jī)到從機(jī)通信流程如圖6所示，從機(jī)到主機(jī)通信流程如圖7所示。

3 網(wǎng)關(guān)測(cè)試

3.1 測(cè)試方法

網(wǎng)關(guān)測(cè)試使用兩臺(tái)ZigBee－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、兩臺(tái)電腦和TCP＆UDP測(cè)試工具軟件進(jìn)行，在電腦X和電腦Y上分別安裝TCP＆UDP測(cè)試工具軟件，網(wǎng)關(guān)測(cè)試如圖8所示。

3.2 測(cè)試結(jié)果

網(wǎng)關(guān)A ZigBee參數(shù)配置:設(shè)備類型(協(xié)調(diào)器)、通信信道(2.410 GHz)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(0x1123)、發(fā)送模式(點(diǎn)對(duì)點(diǎn));網(wǎng)關(guān)B ZigBee參數(shù)配置:設(shè)備類型(終端)、通信信道(2.410 GHz)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)(0x1123)、發(fā)送模式(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))。

網(wǎng)關(guān)A通過(guò)其以太網(wǎng)接口和電腦X相連，網(wǎng)關(guān)A以太網(wǎng)參數(shù)配置:通信協(xié)議(TCP)、通信模式(服務(wù)器);電腦X上運(yùn)行TCP＆UDP測(cè)試工具軟件，以太網(wǎng)參數(shù)配置:通信協(xié)議(TCP)、通信模式(客戶端)，配置完成后連接網(wǎng)關(guān)A。以同樣的方式通過(guò)以太網(wǎng)接口連接網(wǎng)關(guān)B和電腦Y，并進(jìn)行參數(shù)配置，之后完成TCP連接工作。

配置和連接工作完成后將網(wǎng)關(guān)A和電腦X分別置于一點(diǎn)(M點(diǎn))，將網(wǎng)關(guān)B和電腦Y分別置于距離M點(diǎn)視距 D米的另一點(diǎn)(N點(diǎn))，在電腦 X上通過(guò)TCP＆UDP測(cè)試工具軟件每隔T s，發(fā)送一次包長(zhǎng)為L(zhǎng) Byte的數(shù)據(jù)包，在電腦Y上進(jìn)行數(shù)據(jù)接收;反之在電腦Y上發(fā)送數(shù)據(jù)包，在電腦X上接收數(shù)據(jù)，通過(guò)此種方法進(jìn)行ZigBee－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。

表1 網(wǎng)關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

從表1中可以看出，在傳輸距離為視距600 m和800 m時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸丟包率均為0;在視距1000 m時(shí)，由于無(wú)線信號(hào)衰減，出現(xiàn)了較小的數(shù)據(jù)丟包或者斷包。由測(cè)試結(jié)果可以得出，設(shè)計(jì)的ZigBee－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在發(fā)送包長(zhǎng)為1024 Byte的情況下，能夠保證在視距800 m之內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)可靠傳輸，在視距1000 m時(shí)丟包率很小，在同類產(chǎn)品中具有較好的先進(jìn)性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

以物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用為背景，設(shè)計(jì)了ZigBee－以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)解決了廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的ZigBee技術(shù)到互聯(lián)網(wǎng)的連接，在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)之間搭建了一個(gè)透明的數(shù)據(jù)傳輸通道。射頻模塊的單獨(dú)設(shè)計(jì)，從工藝上和技術(shù)上，保證了射頻PCB板材的選擇要求和射頻信號(hào)特殊處理需求，既降低了產(chǎn)品成本，又提高了產(chǎn)品性能。通過(guò)增加射頻前端功放電路，提高了射頻模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度，網(wǎng)關(guān)測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)具有顯著的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)推廣價(jià)值。

［1］馬駿.基于ZigBee技術(shù)的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2009.

［2］Texas Instruments.Stellaris ? LM3S6911 microcontroller［M］.Texas:Texas Instruments，2011.

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［6］任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS－II原理及應(yīng)用［M］.2版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

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