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

摘要 基于物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用廣泛的ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)的ZigBee以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)為物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸搭建了橋梁。闡述了網(wǎng)關(guān)軟硬件設(shè)計(jì)和測(cè)試過(guò)程，測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和廣闊的市場(chǎng)前景。
關(guān)鍵詞 ZigBee；以太網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；物聯(lián)網(wǎng)

    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(xiàn)通信技術(shù)，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)
    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LM36911，其內(nèi)置一個(gè)完全集成了媒體訪(fǎng)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(xiàn)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。

    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(xiàn)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 IEEE802．15．4和ZigBee應(yīng)用片上系統(tǒng)解決方案專(zhuān)用芯片CC2530，CC2530能夠以較低的成本構(gòu)建強(qiáng)大的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)置了性能優(yōu)良的IEE 802．15．4兼容無(wú)線(xiàn)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，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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)信號(hào)衰減，射頻模塊電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

    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(xiàn)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(xiàn)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。
    ZigBee在24 GHz頻段最大傳輸速率是250kbit·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(mǎn)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)task Net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(xiàn)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。
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協(xié)議棧采用輪轉(zhuǎn)查詢(xún)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(xún)式操作系統(tǒng)專(zhuān)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(xiàn)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)之閥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(xiàn)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—個(gè)主機(jī)和從機(jī)之間相連的GPI0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(lèi)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(lèi)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(hù)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Ts，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。

    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O；在視距1 000 m時(shí)，由于無(wú)線(xiàn)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1 024 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1 000 m時(shí)丟包率很小，在同類(lèi)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(xiàn)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。