基于LPC1114處理器的遠(yuǎn)距離Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

【摘要】針對(duì)工業(yè)環(huán)境的Zigbee傳輸需求，提出一種適合工業(yè)應(yīng)用的無(wú)線遠(yuǎn)距離網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以Cortex-M3微控制器LPC1114與TI無(wú)線芯片CC1120為核心組建硬件平臺(tái)，特別是增加了功率無(wú)線的放大器和低噪聲放大器等關(guān)鍵期間；在軟件構(gòu)架上，采用多任務(wù)調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)uIP和無(wú)線Zigbee數(shù)據(jù)的交換。測(cè)試結(jié)果表明，該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了TCP/IP數(shù)據(jù)與ZigBee數(shù)據(jù)交換，其無(wú)線遠(yuǎn)距離傳輸和可靠性滿足工業(yè)環(huán)境中應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】Zigbee網(wǎng)關(guān)嵌入式系統(tǒng)參數(shù)配置

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]是由大量體積小、低成本，具有無(wú)線通信與處理能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，各傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同感知、采集和處理觀測(cè)區(qū)域內(nèi)感知對(duì)象的信息，并把這些信息匯聚后傳送給用戶。但是，由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，處理能力較差，需要利用外部網(wǎng)絡(luò)中的資源對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行更復(fù)雜的處理；同時(shí)，也需要對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而得到監(jiān)測(cè)區(qū)域的感知信息，所以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)要真正發(fā)揮作用必須與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。ZigBee技術(shù)[2]是一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)、近距離、低功耗、高容量、高可靠性的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，是WSN組網(wǎng)的首選技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、智能家居、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域。本文提出的一種基于Cortex-M3的Zigbee網(wǎng)關(guān)，將Zigbee網(wǎng)絡(luò)與Internet緊密融合，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)和Zigbee網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。圖1為ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

在圖中Zigbee網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中起著樞紐的作用，負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和Internet的雙向數(shù)據(jù)交換通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)Sink節(jié)點(diǎn)由Zigbee網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)處理封裝成TCP/IP數(shù)據(jù)包，再由Zigbee網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)通過(guò)Internet以Web形式供遠(yuǎn)程終端PC用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程用戶可對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)定，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)查詢，便于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)信息的觀測(cè)與分析。

一、基于Cortex-M3處理器的Zigbee網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)對(duì)設(shè)備性能起到非常關(guān)鍵的作用。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，把系統(tǒng)分成Zigbee模塊和嵌入式模塊兩大部分，對(duì)每個(gè)模塊均采用高性能、高集成度的單芯片實(shí)現(xiàn)，使硬件電路非常的簡(jiǎn)潔而且可靠性高。

1.1基于LPC1114的主控模塊設(shè)計(jì)

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(yè)控制設(shè)計(jì)的，內(nèi)部集成了32K字節(jié)的SRAM，256K字節(jié)的Flash。以太網(wǎng)收發(fā)器采用ENC28J60[4]，它符合IEEE 802.3協(xié)議。內(nèi)置10 Mbps以太網(wǎng)物理層器件（PHY）及媒體訪問(wèn)控制器（MAC），可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)信息包數(shù)據(jù)。LPC1114通過(guò)SPI接口對(duì)ENC28J60控制，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的收據(jù)收發(fā)和參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2CC1120無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

CC1120[5]是德州儀器推出的一個(gè)用于Sub-1G頻帶的新一代無(wú)線芯片，是ZigBee應(yīng)用的真正的片上系統(tǒng)解決方案，支持IEEE 802.15.4、RF4CE和和Zigbee PRO標(biāo)準(zhǔn)。CC1120集成了高性能RF收發(fā)器強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎，能良好的匹配RF前端。

1.3LPC1114遠(yuǎn)距離無(wú)線Zigbee網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)原理，然后將PCB布線和加工，系統(tǒng)的硬件實(shí)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(hào)需要阻抗匹配?？紤]到模塊的重用，本系統(tǒng)將CC1120射頻模塊單獨(dú)布線，做成一個(gè)單獨(dú)的模塊。

二、基于Zigbee和802.3協(xié)議交換軟件構(gòu)架

2.1TCP/IP網(wǎng)絡(luò)軟件構(gòu)架

uIP[8]是一個(gè)開放源碼的TCP/ IP協(xié)議棧，能夠應(yīng)用于8位和16位微控制器。它最初被開發(fā)由Adam Dunkels“聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用”組在瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所開發(fā)，在 BSD風(fēng)格許可證下授權(quán)下，可以進(jìn)一步開發(fā)。uIP的可以在嵌入式系統(tǒng)中是非常有用的，因?yàn)樗枰浅Ｉ倭康拇a和RAM。它已經(jīng)被移植到多個(gè)平臺(tái)，包括DSP平臺(tái)。在2008年10月，思科，愛特梅爾，SICS宣布uIP的一個(gè)完全兼容的IPv6擴(kuò)展，稱為uIPv6。

由于uIP出色的性能，本文采用它作為網(wǎng)關(guān)的TCP/IP協(xié)議棧，負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換，其主要的流程如圖5所示。

2.2CC1120模塊的軟件實(shí)現(xiàn)

CC1120的程序流程如圖6所示，包括發(fā)送程序和接收程序部分。通訊方式為半雙工通訊，在發(fā)射和接收之間切換時(shí)需要等待CC1120的穩(wěn)定時(shí)間。在發(fā)射模式下， LPC1114將從TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包寫入TXFIFO。

三、結(jié)論

本文針對(duì)工業(yè)的無(wú)線遠(yuǎn)距離和可靠通信要求，采用了目前性價(jià)比極高的Cortex-M3處理器LPC1114和工業(yè)級(jí)以太網(wǎng)ENC28J60收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)TCP/IP的有線數(shù)據(jù)包接收和發(fā)送；而無(wú)線Zigbee模塊采用了目前高性能的CC1120收發(fā)器，為了增加無(wú)線傳輸?shù)木嚯x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(guò)測(cè)試證明，該無(wú)線網(wǎng)關(guān)要比一般的其它短距離的無(wú)線網(wǎng)關(guān)更有優(yōu)勢(shì)。在工業(yè)環(huán)境中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]夏少波，許娥.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN探究[J].通信技術(shù)，2010，43（08）：18-19.

[2]徐志，陳彬兵.自組織ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信研究[J].通信技術(shù)，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）.