基于系統(tǒng)芯片SOC的NOC通信組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

王 娜 尹向東 楊振南 張 彬

基于系統(tǒng)芯片SOC的NOC通信組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究

王 娜1尹向東2楊振南2張 彬2

（1.湖南科技學(xué)院 傳媒學(xué)院；2.湖南科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，湖南 永州 425199）

新一代SOC能在單芯片上集成完整的電子系統(tǒng)，NOC是全新的片上網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)集成電路，其分布式的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域取得了很好的應(yīng)用，本文使用CC2530芯片作為Zigbee通信模塊建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，有效的提高了分時(shí)通信效率，降低了分布式網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)全局同步時(shí)的能量消耗。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；系統(tǒng)芯片；片上網(wǎng)絡(luò)芯片；Zigbee

系統(tǒng)芯片（System-on-Chip，SoC）包含有嵌入式的處理器，能在單個(gè)芯片上集成一個(gè)完整的電子系統(tǒng)，一般包括中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)器、總線及外圍電路等[1]。片上網(wǎng)絡(luò)芯片(Network-on-Chip，NoC)是研究人員借鑒計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的思想，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)移植到芯片設(shè)計(jì)中，提出全新的集成電路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，很好的解決了系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)產(chǎn)生的地址空間的問題，可以有效提高分時(shí)通信效率，同時(shí)能夠降低分布式網(wǎng)絡(luò)中多節(jié)點(diǎn)同步時(shí)的能量消耗功耗和面積問題。

由于 NoC 具有良好的擴(kuò)展性、可以預(yù)測(cè)的延遲、較高的帶寬、可重用性等優(yōu)點(diǎn)，因此，NoC 被認(rèn)為是一種有前景的片上互連解決方案[1]。CC2530芯片是2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee應(yīng)用的一個(gè)NOC解決方案，它的顯著優(yōu)點(diǎn)就是用很低的功耗來建立一個(gè)分布式網(wǎng)絡(luò)，本文使用CC2530芯片在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究，獲得了很好的效果。

1 基于NOC的Zigbee網(wǎng)絡(luò)

1.1 硬件開發(fā)平臺(tái)

本文的Zigbee模塊采用自主研發(fā)的基于CC2530芯片的Zigbee通信模塊，Zigbee無線通信是用來組建無線局域網(wǎng)的，以實(shí)現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器和ARM網(wǎng)關(guān)之間的實(shí)時(shí)通信。與其他無線通信方式如WIFI、藍(lán)牙相比，Zigbee無線通信具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)多、規(guī)模大、功耗低、性價(jià)比高等特點(diǎn)，CC2530最小系統(tǒng)電路圖實(shí)物圖[1]如圖1所示：

圖1 CC2530最小系統(tǒng)電路圖

本文的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口與ARM網(wǎng)關(guān)連接，用來接收終端結(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。終端節(jié)點(diǎn)與傳感器或者執(zhí)行器相連接，與傳感器相連的Zigbee模塊，把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM網(wǎng)關(guān)，ARM網(wǎng)關(guān)再把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器。與執(zhí)行器相連的Zigbee模塊，用來接收ARM網(wǎng)關(guān)發(fā)送的命令，再通過繼電器來實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行器的控制，安裝了路由器的終端節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其他節(jié)點(diǎn)，從而擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。

本文的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的上電必須要嚴(yán)格按照先后順序。首先是先上電協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再上電路由器結(jié)點(diǎn)，最后上電終端結(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器上電并創(chuàng)建好網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮黃燈和藍(lán)燈，如果有接收到數(shù)據(jù)會(huì)黃燈和藍(lán)燈同時(shí)閃爍；路由器上電并加入到網(wǎng)絡(luò)后會(huì)點(diǎn)亮藍(lán)燈；終端結(jié)點(diǎn)上電并加入網(wǎng)絡(luò)后會(huì)點(diǎn)亮黃燈，如果發(fā)送數(shù)據(jù)會(huì)黃燈閃爍，如果接收到數(shù)據(jù)會(huì)藍(lán)燈閃爍。

1.2 Zigbee節(jié)點(diǎn)間通信協(xié)議

在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)之間發(fā)送的數(shù)據(jù)都是以數(shù)據(jù)幀為單位。每個(gè)數(shù)據(jù)幀固定長(zhǎng)度為21個(gè)字節(jié)，本協(xié)議參照了PPP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，有效的避免了數(shù)據(jù)內(nèi)容與包頭(0x7E)相同的沖突，也防止了個(gè)別數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)丟失和失真，對(duì)后序數(shù)據(jù)幀的產(chǎn)生影響。其中的命令類型號(hào)、Zigbee設(shè)備號(hào)、數(shù)據(jù)類型號(hào)采用枚舉類型定義，可以更加有效方便的使用和更改。

2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信組網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用

2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的傳感器的數(shù)據(jù)采集

本文要實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行精確采集，所對(duì)應(yīng)的傳感器分別為GY39模塊、485型CO2檢測(cè)模塊、土壤濕度檢測(cè)模塊。

1)GY39模塊

GY-39具有成本低、功耗小，安裝方便等特點(diǎn)，是一種廣泛用于測(cè)量氣壓、溫度、濕度、光強(qiáng)度傳感器的模塊。GY-39模塊集成了MCU（微控制單元），將各種傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一收集和處理，然后輸出結(jié)果。GY-39模塊的適用性很高，可以與單片機(jī)及電腦直接連接，針對(duì)不同的工作環(huán)境，可以選用兩種方式讀取數(shù)據(jù)，即串口UART和 IIC（2線），模塊還可以作為簡(jiǎn)單傳感器模塊來單獨(dú)工作，不使用MCU處理數(shù)據(jù)[3]。

2)485型CO2檢測(cè)模塊

農(nóng)業(yè)大棚中需要進(jìn)行CO2監(jiān)測(cè)，我們選用了485型CO2檢測(cè)模塊，該模塊中輸入電源、感應(yīng)探頭及信號(hào)輸出等部分是完全分開的，互不干擾，因此氣體探頭的檢測(cè)靈敏度很高[4]。

3)土壤濕度傳感器模塊

本文用的土壤濕度傳感器是一款比較常用的土壤濕度傳感器，工作的原理是使用電位器調(diào)節(jié)來控制相應(yīng)閾值，但檢測(cè)的濕度比設(shè)定值低的時(shí)候，D0端口輸出高電平，當(dāng)檢測(cè)的濕度比設(shè)定值高的時(shí)候，D0端口則會(huì)輸出低電平，從而達(dá)到較寬范圍內(nèi)控制土壤濕度的要求。

該模塊比較器采用LM393芯片，工作電壓為3.3～5 V，A0輸出模擬量，可與單片機(jī)連接，進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。模塊在空氣中的模擬量輸出大概在2700左右，且供電要選擇2端口，不能選擇1端口，否則可能導(dǎo)致輸出的模擬量不穩(wěn)定。

2.2 Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制與終端節(jié)點(diǎn)安裝

1)Zigbee網(wǎng)絡(luò)控制

本文所需要控制的執(zhí)行器有補(bǔ)光燈、加濕器、遮陽簾。解決方案是通過固態(tài)繼電器來實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電,充當(dāng)一個(gè)開關(guān)的功能。

2)Zigbee終端節(jié)點(diǎn)連線安裝

本文的Zigbee局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其中終端節(jié)點(diǎn)既要連接傳感器又要連接執(zhí)行器，還要用電池盒供電。我們?cè)诎惭b時(shí)必須要仔細(xì)認(rèn)真的進(jìn)行連線安裝，其中串行通信接口用于連接GY39模塊和CO2濃度檢測(cè)模塊；ADC輸入端口用于連接土壤濕度傳感器；繼電器1輸出端口用于補(bǔ)光燈、加濕器、排風(fēng)扇、遮陽簾電機(jī)正轉(zhuǎn)的控制；繼電器2輸出端口用于遮陽簾電機(jī)的反轉(zhuǎn)控制。

3　結(jié)束語

本系統(tǒng)在蔬菜大棚進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。為了能夠在測(cè)試時(shí)把Zigbee模塊順利安裝在大棚內(nèi)不同位置的土壤中，把Zigbee檢測(cè)電路安裝在一個(gè)封閉的塑料殼內(nèi)，在殼外安裝電源開關(guān)，留出天線安裝孔。然后把塑料殼固定在不銹鋼管上，土壤濕度傳感探頭通過電纜引導(dǎo)不銹鋼管的端頭。安裝時(shí)，把不銹鋼插入土中固定，再把濕度探頭埋入需要檢測(cè)的土壤中。

經(jīng)過測(cè)試證明，4G信號(hào)接入正常，Zigbee網(wǎng)絡(luò)通信各項(xiàng)數(shù)據(jù)測(cè)量正常，系統(tǒng)運(yùn)行良好。

[1]周小鋒.片上網(wǎng)絡(luò)高效路由關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2020.

[2]韓濤,陳闖,李石榮.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界,2017(1):180-183.

[3]黃悅?cè)A,史振利,胡智瑩,李騰,魏業(yè)文.基于LabVIEW的交通信號(hào)燈工作狀態(tài)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù), 2020,43(16):34-38.

[4]周兵,趙景輝,宋艷麗.基于Labview的大棚溫室環(huán)境因子測(cè)試與控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2017,243(1):77-84.

TP319

A

1673-2219（2021）03-0058-02

2020-01-26

永州市2019年指導(dǎo)性科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2019-yzkj-10）；2020年度湖南科技學(xué)院科學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)20XKY057）；湖南省2019年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大學(xué)生能力培養(yǎng)項(xiàng)目（湘科人〔2019〕9號(hào)）；2017年湖南省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)2017NK2391）。

王娜（1988－），女，吉林遼源人，助理實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)及云計(jì)算。

（責(zé)任編校：文春生）