基于遠程通訊協(xié)議的控制器設(shè)計

吳維健 劉繼偉 劉俊芳

摘 要：論文設(shè)計了一種基于遠程通訊協(xié)議的控制器，采用常見的ZigBee協(xié)議，具有功耗低、成本低、數(shù)據(jù)傳輸安全等級高等優(yōu)點，能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息共享。論文設(shè)計的控制器可以實現(xiàn)家庭或生產(chǎn)現(xiàn)場不同設(shè)備間的連接，測試表明控制器運行穩(wěn)定可靠，具有較強的實用價值。

關(guān)鍵詞：遠程傳輸；嵌入式系統(tǒng)；ZigBee

一、引言

隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略的持續(xù)推進，傳統(tǒng)制造業(yè)面臨著向智能制造轉(zhuǎn)型升級的歷史路口。傳統(tǒng)制造業(yè)正逐漸向自動化、信息化、智能化轉(zhuǎn)型升級。自2009年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被列為國家“新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)”后，我國的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)越來越成熟，自動化與信息化的深入融合促使制造效率飛速提升，產(chǎn)品、設(shè)備的安全性、穩(wěn)定性也得到了極大保證。

實現(xiàn)不同設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸與信息交互，是實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)與前提。大量專家學(xué)者對此進行了深入研究，并提出了多種行之有效的解決方案，例如呂紅偉等研究了一種基于ZigBee技術(shù)設(shè)計的無線智能插座系統(tǒng)，該系統(tǒng)以CC2530芯片為核心，并結(jié)合GSM技術(shù)，實現(xiàn)手機對終端家電設(shè)備的遠程控制，該系統(tǒng)具有無線通信、過壓過流保護、實時監(jiān)測負載的工作狀態(tài)（如電壓、電流、用電量），并對用戶用電量進行統(tǒng)計和分析的功能。[1]李妤薇等設(shè)計了一種基于ZigBee的遠程機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)研究構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程機房內(nèi)溫濕度、空調(diào)運行狀況、消防煙感、紅外入侵、門禁電磁鎖控制和電源系統(tǒng)等綜合環(huán)境監(jiān)測。[2]王彰云等設(shè)計了一種基于ARM嵌入式的智能路燈終端控制系統(tǒng)，運用ZigBee通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、GPRS技術(shù)以及ARM嵌入式等技術(shù)，實現(xiàn)對城市路燈的智能遠程控制。[3]隨著自動化、智能化、信息化的互相融合，利用無線網(wǎng)絡(luò)進行各設(shè)備間數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綄蔀楣I(yè)、家庭等環(huán)境下應(yīng)用最為廣泛的方式。

本文提出了一種基于遠程通訊協(xié)議的控制器，其以目前廣泛應(yīng)用的ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)完成遠程數(shù)據(jù)的傳輸與信息的共享，其具較高的傳輸安全等級，能夠進行無線網(wǎng)絡(luò)通訊等。本文設(shè)計的基于遠程通訊協(xié)議的控制器，能夠極大簡化數(shù)據(jù)校驗的過程，并具有較高的安全性和穩(wěn)定性，適用于多種場合。

二、ZigBee協(xié)議

ZigBee協(xié)議是一種新興的無線通信技術(shù)，是由TI公司和Micropelt公司共同推出的。ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是為適用于各種電磁干擾的工業(yè)現(xiàn)場，且適應(yīng)于通信效率非常低、資源受限、不可靠的網(wǎng)絡(luò)的遠程傳感器和控制設(shè)備的通訊而設(shè)計的協(xié)議， 其主要適用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，它具有以下主要的幾項特性[4]：低功耗、時延短、低成本、網(wǎng)絡(luò)建立、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全。

實現(xiàn)ZigBee協(xié)議需要客戶端和服務(wù)器端通訊完成，在通訊過程中，ZigBee協(xié)議中有三種身份：協(xié)調(diào)者（Coordinator）、路由節(jié)點（Rooter）、終端設(shè)備（Enddivice）。其中，消息的終端設(shè)備是客戶端，協(xié)調(diào)者和路由節(jié)點都是服務(wù)器端，路由節(jié)點除了不能建立網(wǎng)絡(luò)之外，和協(xié)調(diào)者基本類似，而終端設(shè)備是連接到路由節(jié)點或協(xié)調(diào)者。

在ZigBee協(xié)議中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由物理層（PHY層）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK層） 、應(yīng)用層（APL層）三部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示：

三、基于遠程通訊協(xié)議的控制器

本文設(shè)計的基于遠程通訊協(xié)議的控制器以意法半導(dǎo)體公司的STM32F446RE為核心的控制器，其具有Cortex-M4內(nèi)核，最高主頻可達到180MHz。

嵌入式控制器主要包括以下子系統(tǒng)：

（1）電源子系統(tǒng)。電源子系統(tǒng)主要為STM32F446RE及其他設(shè)備提供電源，其能夠?qū)⑤斎氲?4V電源轉(zhuǎn)化為5V電源，并具有隔離功能，能夠有效隔絕外界的電磁干擾；

（2）數(shù)字量輸入子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能夠提供工業(yè)常見的NPN型24V數(shù)字量輸入，并采用高速光耦進行隔離；

（3）數(shù)字量輸出子系統(tǒng)。該子系統(tǒng)能夠提供工業(yè)常見的PNP型24V數(shù)字量輸出，輸出速率達到1MHz，采用Mosfet作為驅(qū)動系統(tǒng)，最大驅(qū)動電流高達27A，可以直接驅(qū)動絕大部分常見的外設(shè)；

（4）ZigBee通訊子系統(tǒng)。ZigBee通訊子系統(tǒng)提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設(shè)備，實現(xiàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠的傳輸功能。

論文設(shè)計的遠程傳輸?shù)那度胧娇刂破鱌CB電路設(shè)計圖如圖2所示：

四、結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于遠程通訊協(xié)議的控制器，其使用ZigBee協(xié)議，具有能耗低、成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大等優(yōu)點，能夠通過無線網(wǎng)絡(luò)完成不同設(shè)備間的數(shù)據(jù)通訊與信息共享，并具有較高的安全性和穩(wěn)定性，適用于多種通訊場合。此外，本文設(shè)計的控制器還帶有數(shù)字量輸入輸出功能，并具有較大的驅(qū)動電流。測試表明，該控制器運行穩(wěn)定、可靠，能夠滿足用戶需求。

參考文獻：

[1] 呂紅偉，徐文尚，吳明寬. 基于ZigBee技術(shù)的無線智能插座設(shè)計[J]. 工業(yè)控制計算機，2015，1001-182X

[2] 李妤薇.基于ZigBee的遠程機房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國新通信，2017， 1673-4866

[3]王彰云.基于ARM嵌入式的智能路燈終端控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電工技術(shù)，2018， 1002-1388

[4] Wang Yuan，Chen Keshan，Xue Chao，Li Hongjian.Design and implementation for ZigBee long-distance wireless data transmission system[IEEE會議論文]. Electronic Measurement & Instruments （ICEMI）， June 15， 2011

（注：天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目資助項目）