基于ARM9處理器的ZigBee工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關設計

摘要：針對工業(yè)無線通訊2.4GHZ 以及以太網(wǎng)通訊技術，提出一種基于嵌入式ARM9處理器的ZigBee工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關設計網(wǎng)關硬件采用AT91SAM9260 處理器以及Zigbee/IEEE802.15.4 無線射頻收發(fā)器件CC2520，軟件設計基于Linux 內(nèi)核，應用層采用ZigBee 協(xié)議實現(xiàn)，并在網(wǎng)關內(nèi)嵌嵌入式WebServer，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程數(shù)據(jù)交互。

　　引言
 

　    目前多標準多協(xié)議共存的場合應用增多，而充當協(xié)議轉(zhuǎn)換橋梁作用的網(wǎng)關起到了關鍵作用當前比較流行的兩個本地無線技術無疑是Wi-Fi 和藍牙，但是，對于低功耗、低帶寬的控制類應用，諸如工廠內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡，ZigBee 或許是個更好的選擇。配備一個功能強大的處理器后，ZigBee 可以在低功耗、低帶寬的限制下高效完成很多復雜的應用。

　　ZigBee 因其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)勢，成為工業(yè)無線通信技術中備受關注的技術之一。ZigBee 是一種低速網(wǎng)絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，多樣的互聯(lián)方式使得組網(wǎng)方式靈活而穩(wěn)健。

　　文章介紹一種基于AT91SAM9260 的ZigBee 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關設計，實現(xiàn)ZigBee 與工業(yè)以太網(wǎng)的一種透明接入，上層采用ZigBee 協(xié)議，應用于工業(yè)現(xiàn)場短距離的無線控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊囊蕴W(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并內(nèi)嵌嵌入式WebServer 實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監(jiān)控、遠程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)應用框圖如圖1 所示用戶可通過ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關內(nèi)嵌得WebServer 直接訪問或修改儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程監(jiān)控、遠程診斷等當網(wǎng)關接入GPRS 或因特網(wǎng)后，無論你身處何地都可隨時訪問工業(yè)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)，實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠程組態(tài)、遠程診斷以及遠程操作等功能，使世界范圍內(nèi)的不同傳感監(jiān)測網(wǎng)絡可以信息共享。

　　圖1 ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關應用示意圖

　　1 硬件設計

　　網(wǎng)關硬件如圖2，系統(tǒng)以AT91SAM9260 為核心，AT91SAM9260 為ATMEL 公司高性能ARM9 處理器，主頻可達200M，帶有以太網(wǎng)MAC，擴展了以太網(wǎng)PHY 模塊、 ZigBee 無線通信模塊、Nand FLASH和SDRAM。圖中K9F2G08 為256M的Nand FLASH，HY57V64162為64M SDRAM，與AT91SAM9260 的地址線、數(shù)據(jù)線、片選線、讀寫線直接無譯碼相連接。

　　DM9161 為以太網(wǎng)PHY 芯片，10M/100M 兼容，實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層CC2520 是TI 公司的第二代的ZigBee/ IEEE 802.15.4 RF 收發(fā)器，具有當今業(yè)界最佳的選擇性/共存性及優(yōu)異的鏈路預算功能特點，目標滿足各種應用中ZigBee/IEEE 802.15.4 同專有無線系統(tǒng)的要求，而且提供了廣泛的硬件支持，包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認證、空閑通道評估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等，與AT91SAM9260之間通過SPI 進行數(shù)據(jù)通訊與控制。

　　圖2 網(wǎng)關硬件框圖

　　2 軟件設計

　　網(wǎng)關軟件采用內(nèi)嵌Linux-2.6.28 內(nèi)核，在上層應用添加ZigBee 服務，實現(xiàn)ZigBee 與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發(fā)給CC2520，封裝為 ZigBee 報文發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)的ZigBee 報文由CC2520轉(zhuǎn)為串口數(shù)據(jù)接收，去掉ZigBee 短地址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)。軟件設計架構(gòu)如圖3 所示。

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　　圖3 網(wǎng)關軟件設計架構(gòu)

　　軟件執(zhí)行流程圖如圖4 所示，底層的硬件初始化包括時鐘的設置、GPIO 的管理、串口的配置、以太網(wǎng)接口MII 的配置以及PHY 芯片的設置等，然后CC2520 的初始化配置無線通信模塊符合ZigBee 協(xié)議標準，CC2520 初始化設置后，模塊即可以實現(xiàn)透明串口傳輸，與ARM 處理器進行數(shù)據(jù)交互。為適應短幀實時和確定性通信發(fā)展趨勢，以太網(wǎng)通信采用UDP/IP 協(xié)議啟動linux 內(nèi)核多任務調(diào)度管理，進行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、UDP 的接收與發(fā)送以及嵌入式WebServer 等任務。

　　圖4 軟件執(zhí)行流程

　　3 ZigBee與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件設計

　　TCP/IP 協(xié)議使用MAC 地址進行硬件地址的識別并使用ARP 協(xié)議進行硬件地址到IP 地址的解析因此必須完成ZigBee 到ARP 地址的轉(zhuǎn)換，才能保證正常通訊ZigBee 中每個節(jié)點都有自己的MAC 地址，格式由64 位長地址和16 位短地址組成文章設計實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議中適配層和ARP，完成ZigBee 中MAC 地址到以太網(wǎng)IP 地址的映射工作流程圖如圖5 所示當網(wǎng)關接收到一個正常發(fā)往本地IP 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后，經(jīng)過協(xié)議判斷送往上層UDP(TCP)處理，最后到網(wǎng)關的應用程序處理網(wǎng)關應用程序經(jīng)過分析判斷，確定需要轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee 網(wǎng)絡中的哪個節(jié)點，經(jīng)過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應的ZigBee 中的節(jié)點MAC地址，將相應的數(shù)據(jù)包送至該節(jié)點，完成一次數(shù)據(jù)通訊。

　　同理，當ZigBee 端收到數(shù)據(jù)包后，通過同樣的解析將數(shù)據(jù)包送至對應節(jié)點或設備通過內(nèi)嵌的WebServer 用戶可實現(xiàn)ZigBee 節(jié)點的實時訪問、修改、組態(tài)等。

　　圖5 網(wǎng)關協(xié)議工作框圖

　　4 結(jié)束語

　　在網(wǎng)關中內(nèi)嵌WebServer，可通過以太網(wǎng)隨時訪問或修改現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程控制，遠程診斷等該產(chǎn)品有效的解決了工業(yè)現(xiàn)場短距離ZigBee 無線通訊連接以太網(wǎng)的問題，以全新的方式向物聯(lián)網(wǎng)靠攏.