基于ZigBee和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

基于ZigBee和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)相互通信，以接力的方式將采集數(shù)據(jù)傳到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器節(jié)。該技術(shù)使用免費(fèi)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(shù)據(jù)量不大，傳輸速率相對(duì)較低，分布范圍較小的，而且成本和功耗較低的場(chǎng)合。隨著計(jì)算機(jī)分布式處理、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)被廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)的聯(lián)網(wǎng)需求迅速擴(kuò)大。如何通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，逐漸成為傳感器網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究課題?；赯igBee和以太網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)傳輸通道。本設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)的TCP/IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。2系統(tǒng)概述結(jié)合ZigBee和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)以多跳變的方式傳送到ZigBee匯接點(diǎn)，匯接點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)包解析，從數(shù)據(jù)包中提取有效信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)包重新封裝打包成TCP/IP數(shù)據(jù)包，經(jīng)過(guò)以太網(wǎng)傳輸將數(shù)據(jù)送到控制中心，完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。圖1給出了結(jié)合ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。圖1結(jié)合ZigBee和以太網(wǎng)的數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，連接ZigBee和以太網(wǎng)兩個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)ZigBee和以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換，并將數(shù)據(jù)壓縮打包封裝，在轉(zhuǎn)發(fā)之前經(jīng)MCU（微處理器）將它轉(zhuǎn)化為另一種數(shù)據(jù)包格式，而不需要外加協(xié)議轉(zhuǎn)換器件，完成二者之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。從結(jié)構(gòu)圖可抽象出結(jié)合ZigBee和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2結(jié)合ZigBee和以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)3芯片選型3.1ZigBee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(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸方案。CC2430是一顆真正片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成一個(gè)高性能2.4GHz直接序列擴(kuò)頻（DSSS）射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)加強(qiáng)型8051內(nèi)核［3］，無(wú)需再選另外的處理器，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。3.2以太網(wǎng)芯片的選型選取臺(tái)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(zhuǎn)接芯片，兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。4總體設(shè)計(jì)4.1硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用CC2430片上8051內(nèi)核作為整個(gè)系統(tǒng)的MCU，來(lái)控制以太網(wǎng)芯片RTL8019，實(shí)現(xiàn)ZigBee和以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳輸。硬件框圖如圖3所示：圖3硬件結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)接芯片而采用軟件模擬的方式來(lái)解決地址數(shù)據(jù)的總線(xiàn)接口問(wèn)題，從而使系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。硬件接口采用8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)讀取方式的，使RTL8019工作在8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)方式。4.2協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)圖4網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換框圖在TCP/IP協(xié)議簇中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸使用硬件地址（MAC）來(lái)進(jìn)行識(shí)別，其中，ARP（地址解析協(xié)議）完成IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址之間的轉(zhuǎn)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(xiàn)ARP協(xié)議的功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)都擁有自己唯一的MAC地址，參考TCP/IP下的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議中的適配層和ARP，實(shí)現(xiàn)IP地址到ZigBee節(jié)點(diǎn)地址的映射。協(xié)議轉(zhuǎn)化框圖如圖4所示，據(jù)圖描述數(shù)據(jù)從ZigBee向以太網(wǎng)方向轉(zhuǎn)換過(guò)程：無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中ZigBee節(jié)點(diǎn)，接收指令將數(shù)據(jù)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(jié)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(yīng)用程序，經(jīng)分析后發(fā)送到對(duì)應(yīng)的以太網(wǎng)UDP或TCP處理函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理，向下發(fā)送到以太網(wǎng)端口MAC地址。這樣就完成了數(shù)據(jù)從ZigBee向以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程。4.3數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)包發(fā)送流程如圖5所示：調(diào)用初始化函數(shù)，初始化CC2430和RTL8019，設(shè)置通訊頻率和本地地址，調(diào)用radioSend（sendBuffer，sizeof，remoteAddrDO_NOT_ACK）函數(shù)，確定要發(fā)送的數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，定位要發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址，判斷是是否超出最大有效載荷允許的長(zhǎng)度，否則數(shù)據(jù)被分成幾個(gè)包發(fā)送；然后調(diào)用sppSend（&txData）函數(shù)，該程序用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)指針指向的數(shù)據(jù)包。首先設(shè)置DMA方式，禁止RF中斷添要發(fā)送的數(shù)據(jù)包的格式（SPP_RX_STRUCT），加載的包長(zhǎng)，目的地址，源地址、標(biāo)志位以及有效載荷，打開(kāi)接受確認(rèn)鏈路，然后發(fā)送數(shù)據(jù)。如果設(shè)置要求確認(rèn)，則會(huì)自動(dòng)切換到接受狀態(tài)；如果設(shè)定的確認(rèn)幀的最大接收時(shí)間還沒(méi)有接受的則會(huì)設(shè)定重發(fā)標(biāo)志；如果重發(fā)還沒(méi)有接受則回報(bào)告發(fā)送失敗。圖5數(shù)據(jù)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。5.1CC2430硬件電路圖6CC2430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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(hào)；P2.4口作中斷申請(qǐng)信號(hào)線(xiàn)。5.2RTL8019硬件電路RTL8019負(fù)責(zé)將ZigBee數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shè)計(jì)中全部懸空，選擇的地址為0300H。圖7RTL8019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(cè)，64引腳為低電平，使用BNC接口。中斷：RTL8019的78、7