李晨來(lái)

摘要：文章介紹了一種具有通用性的近距無(wú)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(shù)ZigBee，是一個(gè)超低功耗、低傳輸速率的近距無(wú)線物聯(lián)通信平臺(tái)。硬件部分主要由無(wú)線-UART、無(wú)線-USB、無(wú)線-Ethernet、無(wú)線-GPRS/GSM、無(wú)線-CDMA等模塊組成。軟件部分采用嵌入式設(shè)計(jì)，具有網(wǎng)絡(luò)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(gè)系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多種有線和無(wú)線通信技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

關(guān)鍵詞：IEEE802.15.4；ZigBee；無(wú)線通信：接口單元

目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，可靠的近距無(wú)線通信技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)的搭建提供支撐。在很多應(yīng)用中需要無(wú)線子網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理代理服務(wù)器進(jìn)行交互。此時(shí)，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(wú)線通信技術(shù)更變得不可或缺[1]。本文描述了一種基于IEEE802.15.4的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和ZigBee技術(shù)的近距無(wú)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(jī)的組織在一起。工作可靠，效率高，功能較為全面，擴(kuò)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(diǎn)

1.1硬件部分

1.1.1無(wú)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(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)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(shí)現(xiàn)USB接口到串行接口的轉(zhuǎn)換，USB接口端可以連接個(gè)人電腦等終端設(shè)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(guò)CC2530 CPU芯片的控制，本模塊實(shí)現(xiàn)了USB接口單元與近距無(wú)線射頻單元的雙向通信。

1.1.2無(wú)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(jiàn)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(guó)WIZnet公司的W5500以太網(wǎng)接口芯片，W5500芯片與CPU通過(guò)串口接口通信，最高支持80 MHz；其他組成部分與無(wú)線USB模塊中的對(duì)應(yīng)部分相同。本模塊實(shí)現(xiàn)了互聯(lián)網(wǎng)到近距無(wú)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(wú)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(jiàn)圖4）。本模塊可實(shí)時(shí)采集物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的來(lái)自傳感器的信號(hào)。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(duì)應(yīng)部分相同。本模塊實(shí)現(xiàn)了UART串口與近距無(wú)線射頻單元的雙向通信。

1.1.4無(wú)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(jiàn)圖5）。本模塊可實(shí)時(shí)采集物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的來(lái)自傳感器的信號(hào)。其中GPRS/GSM單元采用西門子的MC55子模塊，通過(guò)串口與主控CPU連接，其他組成部分與前幾種模塊的對(duì)應(yīng)部分相同。本模塊實(shí)現(xiàn)了GPRS/GSM與近距無(wú)線射頻單元的雙向通信。

1.1.5無(wú)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(jiàn)圖61。本模塊可實(shí)時(shí)采集物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的來(lái)自傳感器的信號(hào)。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(duì)應(yīng)部分相同。本模塊實(shí)現(xiàn)了CDMA接口單元與近距無(wú)線射頻單元的雙向通信。

1.1.6無(wú)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(jiàn)圖7）。本模塊可實(shí)時(shí)采集物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的來(lái)自傳感器的信號(hào)。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(luò)：其他組成部分與前幾種模塊的對(duì)應(yīng)部分相同。本模塊實(shí)現(xiàn)了4G接口單元與近距無(wú)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Z(yǔ)igBee協(xié)議棧的架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。ZigBee協(xié)議棧由ZigBee聯(lián)盟基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)。ZigBee聯(lián)盟是一個(gè)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(wèn)控制（Media Access Control，MAC）層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)（ Network，NWK）層和應(yīng)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(chǔ)上，符合ZigBee協(xié)議棧的架構(gòu)，具有網(wǎng)絡(luò)容量大、低成本、低功耗、自組織、自愈合、數(shù)據(jù)安全等特點(diǎn)。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(duì)軟件的開(kāi)發(fā)提供了支撐。系統(tǒng)中的每個(gè)設(shè)備都可作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子網(wǎng)最多包含65 500個(gè)節(jié)點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)分為兩類：協(xié)調(diào)器（Cordinator）和終端節(jié)點(diǎn)（EndDevice）。協(xié)調(diào)器相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)，是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，所有數(shù)據(jù)最終都返回協(xié)調(diào)器；終端節(jié)點(diǎn)又分為路由節(jié)點(diǎn)和普通終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)可以當(dāng)普通終端節(jié)點(diǎn)來(lái)使用，還可以連接到其他的路由節(jié)點(diǎn)和普通終端節(jié)點(diǎn)，而普通終端節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最后一個(gè)點(diǎn)，不能連接到其他節(jié)點(diǎn)，只能直接返回?cái)?shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。在這里，我們選擇無(wú)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(diǎn)，通過(guò)開(kāi)發(fā)靈活而可靠的應(yīng)用層協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上述功能。所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都按照Z(yǔ)igBee協(xié)議棧的架構(gòu)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)解析，共同完成網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(wù)。

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

1.2.1網(wǎng)絡(luò)智能化組織、建立與維護(hù)

這部分功能主要通過(guò)ZigBee協(xié)議棧中的網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)。由MAC層的調(diào)用行動(dòng)來(lái)處理網(wǎng)絡(luò)地址和路由。它的任務(wù)包括啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（協(xié)調(diào)器）、分配網(wǎng)絡(luò)地址、添加和刪除網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、路由信息、請(qǐng)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(yīng)用價(jià)值。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全主要通過(guò)ZigBee協(xié)議棧中的MAC層、NWK層和APL來(lái)實(shí)現(xiàn)。

基于IEEE802.15.4 PHY和MAC層，我們自定義應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳輸格式，并采取加密措施，提高網(wǎng)絡(luò)的安全性。通過(guò)設(shè)計(jì)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(hù)密鑰字段，并配合芯片自帶的CRC校驗(yàn)功能。同時(shí)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(shí)現(xiàn)

從硬件和軟件設(shè)計(jì)著手，低功耗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式。首先主控CPU CC2530是一個(gè)低功耗的片上系統(tǒng)，支持4種功耗模式，易于軟件動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功耗模式。同時(shí)軟件設(shè)計(jì)專門針對(duì)降低能耗進(jìn)行了優(yōu)化，采用了分時(shí)多址休眠策略：當(dāng)普通節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)處于完全工作模式（PMo）：定時(shí)發(fā)送時(shí)段結(jié)束進(jìn)入休眠狀態(tài)（PM1或PM2）；當(dāng)消息隊(duì)列清空后，經(jīng)過(guò)設(shè)定的延時(shí)，該節(jié)點(diǎn)進(jìn)入深度休眠狀態(tài)（PM3），由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)硬件中斷喚醒，回到完全工作模式。

2 結(jié)語(yǔ)

本文分別介紹了本系統(tǒng)的硬件和軟件部分。這種近距無(wú)線通信平臺(tái)可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、樓宇自動(dòng)化、智能家居、能源管理、PC外設(shè)、健康看護(hù)等眾多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。

[參考文獻(xiàn)]

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[2]黃玉立，童玲，田雨.基于CC2531+CC291的WSN節(jié)電通信模塊設(shè)計(jì)[J]單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011 （1）：71-73.