基于FPGA的嵌入式ZigBee網關的設計與實現

王嘉鵬

【摘要】 隨著當今社會網絡技術和計算機技術的高速發(fā)展，嵌入式技術逐漸受社會多個領域所關注，在交通管理、POS網絡商務、工業(yè)控制、以及家庭智能管理等多個領悟中應用，具有寬闊的應用空間。通過對基于FPGA的嵌入式ZigBee網關的設計與實現進行研究分析，以此為相關工作提供一定的借鑒作用，更好的服務人們生活。

【關鍵詞】 FPGA ZigBee網管 設計與實現

引言

FPGA也就是現場可編程門陣列，是在CPLD、GAL、以及PA0L等可編程器件的基礎上，逐步完善的一種計算機技術。FPGA不僅能夠有效克服定制電路的不完善地方，同時能有解決原有可編程器件門電路數的一些不足。隨著FPGA技術的不斷完善，使ZigBee網絡數據收集得以實現，以此更好的應用于嵌入式網關的設計與實現。

一、系統設計

ZigBee技術具有低復雜度、低功耗、近距離、低成本、低速率等特點的雙向無線通訊技術。 ZigBee不僅能夠在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸，同時能夠進行周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸。本次設計主要是利用ZigBee的上述優(yōu)點，同時根據ZigBee在通信技術方面的優(yōu)點，以及FPGA的可自由編程支配、自由定義其功能、具有I/O端口多等特性，之后在Nios II和VHDL/Verilog HDL編寫的執(zhí)行軟件的作用下以此實現嵌入式網關的設計，進而使此系統更加具有可配置性和靈活性的優(yōu)勢。

本次嵌入式網關系統的主要構架形式是以FPGA+Nios II作為基礎，同時配合FPGA的靈活編程性質，以此滿足系統設計要求。整個嵌入式網關的系統主要由ZigBee網絡部分、FPGA部分、以及上位機監(jiān)控部分所構成[1]。

1.1 ZigBee網絡部分設計

ZigBee網絡中的節(jié)點類型，主要分為終端設備、路由器、以及協調器。而上述三種設備又分為精簡功能設備和全功能設備，終端設備屬于前者，路由器和協調器屬于后者。在一個ZigBee網絡中，終端設備屬于網絡的邊緣設備，不具有路由器和協調器的功能，其主要作用在于同監(jiān)控對象的連接，能夠將本身的節(jié)點位置、以及傳感器信息傳送到協調器，其信息路由由網絡中的路由器和協調器決定。路由器，能夠使路由消息、以及網絡信息得到進一步擴展，是一種潛在的協調器；通過對網絡的擴展，能夠使更多設備進入到網絡中[2]。協調器，每個ZigBee網絡只允許出現一個協調器，對網絡的維護、啟動網絡、節(jié)點綁定關系表、以及網絡成員地位配置能內容進行負責，對計算能力和存儲空間要求較高。協調器能夠對終端設備的數據信息進行接收，最終在串行通信的作用下幫助FPGA接收到節(jié)點信息。

1.2 SOPC的設計

本次嵌入式網關系統的設計，主要采用SOPC開發(fā)環(huán)境SOPC Builder以此滿足FPGA的硬件設計需要，SOPC工具能夠直接使用。SOPC系統由SOPC Builder環(huán)境所生成，在設計中需要加如定時器、片上存儲單元、Nios II處理器、SGDMA控制器、EPCS控制器、PLL、以太網控制器核、以及UART內核等部分；在Nios II系統生成之后，完成硬件接口的連接工作，以及頂層模塊的設計，以及引腳分配，同時在FPGA中編輯下載，進而使FPGA硬件設計順利完成。

二、系統軟件設計

此次嵌入式網關系統的軟件設計，主要有頂層應用代碼的調試和編寫、網絡協議棧的實現、PC軟件客戶端的設計、以及嵌入式操作系統的移植等內容。此次系統需要在硬件平臺中，進行操作系統的有效嵌入，主要是基于控制和調度多個任務等方面考慮[3]。此次系統在軟件開發(fā)平臺使用方面，主要是采取的集成開發(fā)環(huán)境，成功移植了μC/OS-II操作系統。此嵌入式操作系統，其操作內核具有通用性，同時可進行裁剪、移植和固化等操作。此外，μC/OS-II操作系統在內存管理、任務管理、調度、通信、同步、以及時間管理等功能方面，同樣具有較高的性能。對系統進行測試階段，可以利用Socket接口與FPGA進行通信。首先對服務器的端口、IP地址進行設置，然后開啟數據采集。在ZigBee網絡中，傳感器數據信息同節(jié)點位置信息，都能夠通過模擬顯示出來，以此實現對節(jié)點的有效控制。

三、總結

現階段，嵌入式系統技術在人們生活和工作領域中發(fā)揮越來越重要的作用，備受社會各界所關注，隨著信息化技術和智能化技術的不斷完善和創(chuàng)新，其必將會有更加廣泛的應用前景。嵌入式ZigBee網關在設計與實現階段，利用FPGA技術，能夠進一步實現工業(yè)控制領域中、以及物聯網傳感器設備的遠程監(jiān)控功能。

參 考 文 獻

[1]王發(fā)，艾紅.基于嵌入式和ZigBee的小型集散控制系統設計[J].制造業(yè)自動化，2014（16）：5-9.

[2]戴澤淼，王勝，梁繼會.基于ZigBee嵌入式智能家居控制系統的設計與實現[J].吉林師范大學學報：自然科學版，2015（2）：87-90.

[3]唐天聰.基于嵌入式zigbee無線表決器系統設計與實現[J].電子世界， 2014（12）：87-87.