基于ZigBee和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設計

　1 引言

　　ZigBee 是一種新興短距離、低功耗、低傳輸速率的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。以IEEE802.15.4 為標準，通過(guò)傳感器節點(diǎn)相互通信，以接力的方式將采集數據傳到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)或協(xié)調器節。該技術(shù)使用免費的IMS 的2.4GHz、915M 和868MHz 頻段，傳輸速率為20K 至250Kbps,具有雙向通信功能。它適用于通信數據量不大，傳輸速率相對較低，分布范圍較小的，而且成本和功耗較低的場(chǎng)合。

　　隨著(zhù)計算機分布式處理、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)被廣泛應用，計算機的聯(lián)網(wǎng)需求迅速擴大。如何通過(guò)現有網(wǎng)絡(luò )基礎設施對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行遠程管理，逐漸成為傳感器網(wǎng)絡(luò )和計算機網(wǎng)絡(luò )研究課題。

　　基于ZigBee 和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設計就是在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )和互聯(lián)網(wǎng)之間搭建一條數據傳輸通道。

　　本設計中數據傳輸系統將ZigBee 數據包轉化為以太網(wǎng)的TCP/IP 協(xié)議的數據包，實(shí)現數據在兩個(gè)協(xié)議之間的雙向傳輸，搭建聯(lián)系二者之間的一條透明傳輸通道，完成ZigBee 技術(shù)和以太網(wǎng)互通，從而實(shí)現對現場(chǎng)的監測和遠程控制。

　　2 系統概述

　　結合ZigBee 和以太網(wǎng)的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )體系統包括ZigBee 網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)兩部分。ZigBee 網(wǎng)絡(luò )通過(guò)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)將采集數據以多跳變的方式傳送到ZigBee 匯接點(diǎn)，匯接點(diǎn)將數據發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行ZigBee數據包解析，從數據包中提取有效信息數據，進(jìn)行協(xié)議轉換和數據包重新封裝打包成TCP/IP 數據包，經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)傳輸將數據送到控制中心，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸。圖1 給出了結合ZigBee 網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)的數據傳輸網(wǎng)絡(luò )體系結構。 

　　圖1 結合ZigBee 和以太網(wǎng)的數傳網(wǎng)絡(luò )體系結構

　　網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉換器，連接ZigBee 和以太網(wǎng)兩個(gè)相互獨立的網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現ZigBee和以太網(wǎng)協(xié)議轉換，并將數據壓縮打包封裝，在轉發(fā)之前經(jīng)MCU（微處理器）將它轉化為另一種數據包格式，而不需要外加協(xié)議轉換器件，完成二者之間的協(xié)議轉換和數據傳輸。從結構圖可抽象出結合ZigBee和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)結構，如圖2 所示。 

　　圖2 結合ZigBee 和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)結構。

　　3 芯片選型

　　3.1 ZigBee 芯片的選型

　　選用成都Chipcon 公司的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC2430 作為本設計ZigBee 網(wǎng)絡(luò )的傳輸方案。

　　CC2430 是一顆真正片上系統芯片，內部集成一個(gè)高性能2.4GHz 直接序列擴頻 （DSSS）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級加強型8051 內核[3],無(wú)需再選另外的處理器，使設計簡(jiǎn)化。

　　3.2 以太網(wǎng)芯片的選型

　　選取臺灣RETLTEK 公司的網(wǎng)卡芯片RTL8019,該芯片ISA 總線(xiàn)高度集成，具有價(jià)格低，接口簡(jiǎn)單，不需要轉接芯片，兼容性強等特點(diǎn)。 

　　4 總體設計

　　4.1 硬件設計

　　本設計采用CC2430 片上8051 內核作為整個(gè)系統的MCU,來(lái)控制以太網(wǎng)芯片RTL8019,實(shí)現ZigBee和以太網(wǎng)協(xié)議轉換和數據傳輸。硬件框圖如圖3 所示： 

　　圖3 硬件結構框圖。

　　由于CC2430 只提供SPI 總線(xiàn)和UART 的接口，硬件接口沒(méi)有選用另外的轉接芯片而采用軟件模擬的方式來(lái)解決地址數據的總線(xiàn)接口問(wèn)題，從而使系統的硬件設計簡(jiǎn)化。硬件接口采用8 位數據總線(xiàn)方式，通過(guò)跳線(xiàn)的方式來(lái)選擇RTL8019 在ISA 總線(xiàn)上的數據讀取方式的，使RTL8019 工作在8 位數據總線(xiàn)方式。

　　4.2 協(xié)議轉換設計 

　　圖 4 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉換框圖。

　　在TCP/IP 協(xié)議簇中，以太網(wǎng)的數據傳輸使用硬件地址（MAC）來(lái)進(jìn)行識別，其中，ARP（地址解析協(xié)議）完成IP 地址和數據鏈路層使用的硬件地址之間的轉換 [4],因此為了保證ZigBee 網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)中的通信，首先要實(shí)現ARP 協(xié)議的功能。ZigBee 網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)都擁有自己唯一的MAC 地址，參考TCP/IP 下的實(shí)現機制，實(shí)現ZigBee 協(xié)議中的適配層和ARP,實(shí)現IP 地址到ZigBee節點(diǎn)地址的映射。協(xié)議轉化框圖如圖4 所示，據圖描述數據從ZigBee 向以太網(wǎng)方向轉換過(guò)程：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中ZigBee 節點(diǎn)，接收指令將數據包打包，簡(jiǎn)單判斷后向上發(fā)送給本地ARP,通過(guò)ARP 解析出該節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )MAC地址，確定要發(fā)送到的以太網(wǎng)地址；然后向上發(fā)送給網(wǎng)關(guān)應用程序，經(jīng)分析后發(fā)送到對應的以太網(wǎng)UDP 或TCP處理函數進(jìn)行相應處理，向下發(fā)送到以太網(wǎng)端口MAC地址。這樣就完成了數據從ZigBee 向以太網(wǎng)的協(xié)議轉換過(guò)程。 

　4.3 數據傳輸

　　數據包發(fā)送流程如圖5 所示：調用初始化函數，初始化CC2430 和RTL8019,設置通訊頻率和本地地址，調用radioSend（sendBuffer,sizeof,remoteAddrDO_NOT_ACK）函數，確定要發(fā)送的數據的長(cháng)度，定位要發(fā)送數據的目的地址，判斷是是否超出最大有效載荷允許的長(cháng)度，否則數據被分成幾個(gè)包發(fā)送；然后調用sppSend（&txData）函數，該程序用來(lái)發(fā)送數據指針指向的數據包。首先設置DMA 方式，禁止RF中斷添要發(fā)送的數據包的格式（SPP_RX_STRUCT），加載的包長(cháng)，目的地址，源地址、標志位以及有效載荷，打開(kāi)接受確認鏈路，然后發(fā)送數據。如果設置要求確認，則會(huì )自動(dòng)切換到接受狀態(tài)；如果設定的確認幀的最大接收時(shí)間還沒(méi)有接受的則會(huì )設定重發(fā)標志；如果重發(fā)還沒(méi)有接受則回報告發(fā)送失敗。 

　　圖 5 數據包發(fā)送流程圖。

　　5 硬件電路

　　硬件電路主要包括CC2430 和RTL8019 兩部分。

　　5.1 CC2430 硬件電路 

　　圖 6 CC2430 硬件電路圖。

　　CC2430 部分是ZigBee 網(wǎng)絡(luò )無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分，采用32MHZ 晶振為系統提供時(shí)序。電路使用一個(gè)非平衡天線(xiàn)，連接非平衡變壓器可使天性接收性能更好。

　　非平衡變壓器由電容C12 和電感L2 組成，滿(mǎn)足RF輸入輸出匹配電阻50 歐姆的要求。

　　CC2430 提供的I/O 口分別作8 位數據總線(xiàn)，地址總線(xiàn)和控制總線(xiàn)，具體分配如下：P0 口作8 位數據口；P1 口的低5 位作地址口；P2.0,P2.3 分別作讀寫(xiě)的選通信號；P2.4 口作中斷申請信號線(xiàn)。 

　　5.2 RTL8019 硬件電路

　　RTL8019 負責將ZigBee 數據包轉換為T(mén)CP/IP數據包。電路中采用20M 晶振提供工作時(shí)序。本地DMA 接口把網(wǎng)卡芯片與網(wǎng)線(xiàn)的連接通道，完成控制器與網(wǎng)線(xiàn)的數據交換。

　　工作模式：RTL8019 的第65 腳JP 決定網(wǎng)卡芯片的工作方式，接高電平為跳線(xiàn)工作方式。

　　I/O 口：RTL8019 的81、82、84、85 引腳決定I/O 口地址，設計中全部懸空，選擇的地址為0300H. 

　　圖 7 RTL8019 硬件電路圖。

　　網(wǎng)絡(luò )接口：由RTL8019 的74、77 引腳決定，使用自動(dòng)檢測，64 引腳為低電平，使用BNC 接口。

　　中斷：RTL8019 的78、79、80 引腳決定芯片的中斷方式，設計中全部懸空，選擇的中斷是INT0.

　　6 結語(yǔ)

　　該網(wǎng)關(guān)功耗低、體積小、設計簡(jiǎn)單，可滿(mǎn)足小數據量的要求。在ZigBee 近距離無(wú)線(xiàn)通信和以太網(wǎng)遠程數據傳送之間搭建一座橋梁，為ZigBee 傳感器網(wǎng)絡(luò )提供了以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )平臺，使ZigBee 在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用更廣泛。

基于ZigBee和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設計