基于LPC1114處理器的遠距離Zigbee網關設計

【摘要】針對工業環境的Zigbee傳輸需求，提出一種適合工業應用的無線遠距離網關設計方案。系統以Cortex-M3微控制器LPC1114與TI無線芯片CC1120為核心組建硬件平臺，特別是增加了功率無線的放大器和低噪聲放大器等關鍵期間；在軟件構架上，采用多任務調度方法實現uIP和無線Zigbee數據的交換。測試結果表明，該網關系統實現了TCP/IP數據與ZigBee數據交換，其無線遠距離傳輸和可靠性滿足工業環境中應用。

【關鍵詞】Zigbee網關嵌入式系統參數配置

無線傳感器網絡[1]是由大量體積小、低成本，具有無線通信與處理能力的傳感器節點組成的無線網絡，各傳感器節點協同感知、采集和處理觀測區域內感知對象的信息，并把這些信息匯聚后傳送給用戶。但是，由于節點的能量有限，處理能力較差，需要利用外部網絡中的資源對監測數據進行更復雜的處理；同時，也需要對無線傳感器網絡進行遠程監控，從而得到監測區域的感知信息，所以無線傳感器網絡要真正發揮作用必須與其他網絡互聯。ZigBee技術[2]是一種基于IEEE 802.15.4標準、近距離、低功耗、高容量、高可靠性的雙向無線通訊技術，是WSN組網的首選技術之一，廣泛應用于工業監控、智能家居、醫療等諸多領域。本文提出的一種基于Cortex-M3的Zigbee網關，將Zigbee網絡與Internet緊密融合，實現了以太網和Zigbee網絡之間的數據交換。圖1為ZigBee無線傳感器網絡系統結構。

在圖中Zigbee網關在整個系統中起著樞紐的作用，負責ZigBee網絡和Internet的雙向數據交換通信。ZigBee網絡采集的數據通過Sink節點由Zigbee網關對數據處理封裝成TCP/IP數據包，再由Zigbee網關將數據通過Internet以Web形式供遠程終端PC用戶遠程監控，遠程用戶可對ZigBee網絡的傳感器節點進行數據采集參數的設定，同時實現對采集數據進行存儲和數據庫數據查詢，便于監測區域內數據信息的觀測與分析。

一、基于Cortex-M3處理器的Zigbee網關硬件設計

硬件平臺對設備性能起到非常關鍵的作用。本系統采用模塊化設計，把系統分成Zigbee模塊和嵌入式模塊兩大部分，對每個模塊均采用高性能、高集成度的單芯片實現，使硬件電路非常的簡潔而且可靠性高。

1.1基于LPC1114的主控模塊設計

嵌入式模塊采用NXP公司Cortex-M3系列微控制器LPC1114[3]。該芯片是專門為工業控制設計的，內部集成了32K字節的SRAM，256K字節的Flash。以太網收發器采用ENC28J60[4]，它符合IEEE 802.3協議。內置10 Mbps以太網物理層器件（PHY）及媒體訪問控制器（MAC），可按業界標準的以太網協議可靠地收發信息包數據。LPC1114通過SPI接口對ENC28J60控制，實現以太網的收據收發和參數設置，系統的硬件結構如圖2所示。

1.2CC1120無線模塊設計

CC1120[5]是德州儀器推出的一個用于Sub-1G頻帶的新一代無線芯片，是ZigBee應用的真正的片上系統解決方案，支持IEEE 802.15.4、RF4CE和和Zigbee PRO標準。CC1120集成了高性能RF收發器強大的地址識別和數據包處理引擎，能良好的匹配RF前端。

1.3LPC1114遠距離無線Zigbee網關實現

根據硬件設計原理，然后將PCB布線和加工，系統的硬件實物圖如圖4所示，將LPC1114布置在中間位置，CC1120射頻模塊和ENC28J60模塊布置左部，而電源模塊放置在右部，特別注意的是射頻信號需要阻抗匹配。考慮到模塊的重用，本系統將CC1120射頻模塊單獨布線，做成一個單獨的模塊。

二、基于Zigbee和802.3協議交換軟件構架

2.1TCP/IP網絡軟件構架

uIP[8]是一個開放源碼的TCP/ IP協議棧，能夠應用于8位和16位微控制器。它最初被開發由Adam Dunkels“聯網嵌入式系統應用”組在瑞典計算機科學研究所開發，在 BSD風格許可證下授權下，可以進一步開發。uIP的可以在嵌入式系統中是非常有用的，因為它需要非常少量的代碼和RAM。它已經被移植到多個平臺，包括DSP平臺。在2008年10月，思科，愛特梅爾，SICS宣布uIP的一個完全兼容的IPv6擴展，稱為uIPv6。

由于uIP出色的性能，本文采用它作為網關的TCP/IP協議棧，負責與網絡的數據交換，其主要的流程如圖5所示。

2.2CC1120模塊的軟件實現

CC1120的程序流程如圖6所示，包括發送程序和接收程序部分。通訊方式為半雙工通訊，在發射和接收之間切換時需要等待CC1120的穩定時間。在發射模式下， LPC1114將從TCP/IP網絡的數據包寫入TXFIFO。

三、結論

本文針對工業的無線遠距離和可靠通信要求，采用了目前性價比極高的Cortex-M3處理器LPC1114和工業級以太網ENC28J60收發器，實現TCP/IP的有線數據包接收和發送；而無線Zigbee模塊采用了目前高性能的CC1120收發器，為了增加無線傳輸的距離和可靠性，必要性的增加了放大器和濾波器等射頻前端，通過測試證明，該無線網關要比一般的其它短距離的無線網關更有優勢。在工業環境中具有較高的應用價值。

參考文獻

[1]夏少波，許娥.無線傳感器網絡WSN探究[J].通信技術，2010，43（08）：18-19.

[2]徐志，陳彬兵.自組織ZigBee網絡節點通信研究[J].通信技術，2009，42（12）：128-131.

[3] NXP Semiconductors.LPC1114 Data Sheet[EB/OL].2013-5-16. http：//www.nxp.com/documents/data_sheet/LPC111X.pdf.

[4] MicroChip Semiconductors. ENC28J60 Data Sheet[EB/OL]. 2013-05-16， http：//ww1.microchip.com/downloads/en/devicedoc/39662b.pdf.

[5] Texas Instruments.CC1120 Data Sheet[EB/OL]. 2013-5-16. http：//www.ti.com/lit/ds/symlink/cc1120.pdf.

[6] SkyWorks Semiconductors.SKY7138 Data Sheet[EB/OL]. 2013-5-16. http：//www.skyworksinc.com/.

[7] RF Micro Devices.SPF5122 Data Sheet[EB/OL]. http：//www.rfmd.com/CS/Documents/SPF-5122ZDS.pdf.

[8] Wikipedia. uIP Introduction [EB/OL]. 2013-5-16. http：//en.wikipedia.org/wiki/UIP_（micro_IP）.