基于ZiqBee技術的近距無線物聯(lián)通信系統(tǒng)

李晨來

摘要：文章介紹了一種具有通用性的近距無線物聯(lián)通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于IEEE802.15.4物理層和媒體控制層的數(shù)字通信技術ZigBee，是一個超低功耗、低傳輸速率的近距無線物聯(lián)通信平臺。硬件部分主要由無線-UART、無線-USB、無線-Ethernet、無線-GPRS/GSM、無線-CDMA等模塊組成。軟件部分采用嵌入式設計，具有網(wǎng)絡容量大、低成本、低功耗、自組織、自愈合、數(shù)據(jù)安全等功能。整個系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了多種有線和無線通信技術的有機結(jié)合，應用領域非常廣泛。

關鍵詞：IEEE802.15.4；ZigBee；無線通信：接口單元

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展迅速，可靠的近距無線通信技術為物聯(lián)網(wǎng)的搭建提供支撐。在很多應用中需要無線子網(wǎng)內(nèi)的設備與數(shù)據(jù)存儲處理代理服務器進行交互。此時，不僅需要UART串口、USB接口、以太網(wǎng)接口等傳統(tǒng)傳輸方式，無線通信技術更變得不可或缺[1]。本文描述了一種基于IEEE802.15.4的無線網(wǎng)絡和ZigBee技術的近距無線通信系統(tǒng)，將USB口，以太網(wǎng)，UART串口，GPRS/GSM，CDMA以及模擬量傳感器等多種功能有機的組織在一起。工作可靠，效率高，功能較為全面，擴展也很方便，克服了目前很多同類產(chǎn)品的不足[2]。系統(tǒng)總體示意如圖1所示。

1 工作原理和性能特點

1.1硬件部分

1.1.1無線USB模塊

本模塊由USB接口單元、DC/DC電源、CPU和RF天線單元組成（見圖2）。CPU芯片選用Ⅱ公司的CC2530。CC2530是TI公司推出的新一代ZigBee標準芯片，適用于2.4 GHz，IEEE802.15.4，ZigBee。它包含高性能RF收發(fā)器，工業(yè)標準增強型8051MCU，可編程的閃存，8 kB RAM等。USB接口單元采用FTDI公司的芯片F(xiàn)T232R，實現(xiàn)USB接口到串行接口的轉(zhuǎn)換，USB接口端可以連接個人電腦等終端設備，也可提供+5 v電源，另外一側(cè)連接CPU； DC/DC電源部分使用LDO芯片LM1086； RF天線單元采用RF前端采用TI公司的集成度很高的射頻前端芯片CC2591。通過CC2530 CPU芯片的控制，本模塊實現(xiàn)了USB接口單元與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.2無線以太網(wǎng)模塊

本模塊由以太網(wǎng)接口單元、DC/DC電源、RF天線單元和主控CPU組成（見圖3）。其中DC/DC電源接收外部+5～+12V直流電壓、輸出本模塊需要的電源電壓；以太網(wǎng)接口單元采用韓國WIZnet公司的W5500以太網(wǎng)接口芯片，W5500芯片與CPU通過串口接口通信，最高支持80 MHz；其他組成部分與無線USB模塊中的對應部分相同。本模塊實現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)到近距無線射頻單元的雙向通信，也是系統(tǒng)連接外網(wǎng)的核心。

1.1.3無線串口模塊

本模塊由UART接口單元、DC/DC電源、RF天線單元、A/D接口單元和主控CPU組成（見圖4）。本模塊可實時采集物聯(lián)網(wǎng)應用中的來自傳感器的信號。其中UA RT串口采用TI公司的TXB0102作為電平轉(zhuǎn)換接口：A/D接口單元可連接傳感器到CPU的片上模數(shù)轉(zhuǎn)換器；其他組成部分與前述模塊的對應部分相同。本模塊實現(xiàn)了UART串口與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.4無線GPRS/GSM模塊

本模塊由GPRS/GSM單元、DC/DC電源、A/D接口單元、RF天線單元和主控CPU組成（見圖5）。本模塊可實時采集物聯(lián)網(wǎng)應用中的來自傳感器的信號。其中GPRS/GSM單元采用西門子的MC55子模塊，通過串口與主控CPU連接，其他組成部分與前幾種模塊的對應部分相同。本模塊實現(xiàn)了GPRS/GSM與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.5無線CDMA模塊

本模塊由CDMA接口單元、DC/DC電源、A/D接口單元、RF天線單元和主控CPU組成（見圖61。本模塊可實時采集物聯(lián)網(wǎng)應用中的來自傳感器的信號。其中CDMA接口單元采用Anydata的DTGS-800；其他組成部分與前幾種模塊的對應部分相同。本模塊實現(xiàn)了CDMA接口單元與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.1.6無線4G模塊

本模塊由4G接口單元、DC/DC電源、A/D接口單元、RF天線單元和主控CPU組成（見圖7）。本模塊可實時采集物聯(lián)網(wǎng)應用中的來自傳感器的信號。其中4G接口單元采用中興通信的EM3760，支持4G TD-LTE/LTE FDD/TD-SCDMA網(wǎng)絡：其他組成部分與前幾種模塊的對應部分相同。本模塊實現(xiàn)了4G接口單元與近距無線射頻單元的雙向通信。

1.2軟件部分

本系統(tǒng)的軟件部分是按照ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)進行開發(fā)。ZigBee協(xié)議棧由ZigBee聯(lián)盟基于IEEE802.15.4標準開發(fā)。ZigBee聯(lián)盟是一個由285家公司聯(lián)合成立的聯(lián)合體。IEEE802.15.4定義了物理層（Physical Layer，PHY）和媒體訪問控制（Media Access Control，MAC）層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡（ Network，NWK）層和應用層（Application Layer， APL），構(gòu)成ZigBee協(xié)議棧。

本系統(tǒng)的軟件部分構(gòu)建在TI CC2530芯片及ZigBee2007協(xié)議棧的基礎上，符合ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)，具有網(wǎng)絡容量大、低成本、低功耗、自組織、自愈合、數(shù)據(jù)安全等特點。主控芯片CC2530是一款真正的片上系統(tǒng)（System-on-a-Chip，SOC），搭配的Z-Stack協(xié)議棧對軟件的開發(fā)提供了支撐。系統(tǒng)中的每個設備都可作為一個節(jié)點，每個子網(wǎng)最多包含65 500個節(jié)點。

節(jié)點分為兩類：協(xié)調(diào)器（Cordinator）和終端節(jié)點（EndDevice）。協(xié)調(diào)器相當于網(wǎng)關，是整個ZigBee網(wǎng)絡的核心，所有數(shù)據(jù)最終都返回協(xié)調(diào)器；終端節(jié)點又分為路由節(jié)點和普通終端節(jié)點，路由節(jié)點可以當普通終端節(jié)點來使用，還可以連接到其他的路由節(jié)點和普通終端節(jié)點，而普通終端節(jié)點是整個網(wǎng)絡的最后一個點，不能連接到其他節(jié)點，只能直接返回數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。在這里，我們選擇無線——以太網(wǎng)模塊作為協(xié)調(diào)器，其他模塊作為普通節(jié)點，通過開發(fā)靈活而可靠的應用層協(xié)議，實現(xiàn)上述功能。所有網(wǎng)絡節(jié)點都按照ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)進行通信和數(shù)據(jù)解析，共同完成網(wǎng)絡智能化組織和建立、信息收發(fā)及路由、自愈合、數(shù)據(jù)安全等功能。應用程序接口（Application Program皿ing Interface，API）為UARI串口、USB接口、以太網(wǎng)接口、GPRS/GSM通信、CDMA通信、4G通信、A/D轉(zhuǎn)換等提供服務。

協(xié)調(diào)器和普通節(jié)點的主程序框分別如圖8和圖9所示。

1.2.1網(wǎng)絡智能化組織、建立與維護

這部分功能主要通過ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡層實現(xiàn)。由MAC層的調(diào)用行動來處理網(wǎng)絡地址和路由。它的任務包括啟動網(wǎng)絡（協(xié)調(diào)器）、分配網(wǎng)絡地址、添加和刪除網(wǎng)絡設備、路由信息、請求安全和執(zhí)行路由發(fā)現(xiàn)。

1.2.2數(shù)據(jù)安全

系統(tǒng)安全性能直接決定了系統(tǒng)的應用價值。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡安全主要通過ZigBee協(xié)議棧中的MAC層、NWK層和APL來實現(xiàn)。

基于IEEE802.15.4 PHY和MAC層，我們自定義應用層數(shù)據(jù)傳輸格式，并采取加密措施，提高網(wǎng)絡的安全性。通過設計MAC層和NWK層的安全幀結(jié)構(gòu)，安全幀結(jié)構(gòu)中定義保護密鑰字段，并配合芯片自帶的CRC校驗功能。同時所有的數(shù)據(jù)均采用AES-128加密算法、數(shù)據(jù)完整性檢查。

1.2.3低功耗系統(tǒng)實現(xiàn)

從硬件和軟件設計著手，低功耗系統(tǒng)實現(xiàn)方式。首先主控CPU CC2530是一個低功耗的片上系統(tǒng)，支持4種功耗模式，易于軟件動態(tài)調(diào)節(jié)功耗模式。同時軟件設計專門針對降低能耗進行了優(yōu)化，采用了分時多址休眠策略：當普通節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時處于完全工作模式（PMo）：定時發(fā)送時段結(jié)束進入休眠狀態(tài)（PM1或PM2）；當消息隊列清空后，經(jīng)過設定的延時，該節(jié)點進入深度休眠狀態(tài)（PM3），由協(xié)調(diào)器節(jié)點通過硬件中斷喚醒，回到完全工作模式。

2 結(jié)語

本文分別介紹了本系統(tǒng)的硬件和軟件部分。這種近距無線通信平臺可廣泛應用于工業(yè)控制、樓宇自動化、智能家居、能源管理、PC外設、健康看護等眾多物聯(lián)網(wǎng)應用領域。

[參考文獻]

[1]Eeworld.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee～Applications[EB/OL].（2013-12-05） [2018-01-03].http：//download.e eworld.com.cn/download/Sur/2 83 492

[2]黃玉立，童玲，田雨.基于CC2531+CC291的WSN節(jié)電通信模塊設計[J]單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2011 （1）：71-73.