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一种ZigBee以太网网关的设计

时间:05-14 来源:互联网 点击:

摘要 基于物联网中应用广泛的ZigBee技术,设计的ZigBee以太网网关为物联网和互联网之间的数据传输搭建了桥梁。阐述了网关软硬件设计和测试过程,测试结果表明,设计的网关具有较强的技术优势和广阔的市场前景。
关键词 ZigBee;以太网;网关;物联网

物联网,即物物相连的网络,目前已广泛应用于公共安全、智能交通、智能楼宇和环境监测等众多领域。ZigBee是一种低速率、低功耗、网络容量大、节点间能够进行群体协作,网络具有很强自愈能力的无线通信技术,在物联网应用中得到了广泛使用。随着物联网技术的不断发展和推广,解决物联网和互联网之间的异构互联,在物联网和互联网之间建立一个透明的数据传输通道,为现场非IP物联网设备接入IP网络提供技术保证,也将成为物联网技术研究的热点和重点。

1 硬件设计
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1 网关硬件架构
网关硬件架构由LM3S6911微处理器单元、系统电源单元电路、JTAG接口单元电路、RS232接口单元电路、以太网接口单元电路和ZigBee射频模块组成,网关硬件架构如图1所示。由于ZigBee射频电路需要进行2.4 GHz射频电路设计,因此把ZigBee射频电路部分进行了独立设计,射频电路板通过排针与主控板相连接。

1.2 主控板电路设计
主控板设计选用高性能、低成本ARM Cortex—M3嵌入式微处理器LM36911,其内置一个完全集成了媒体访问控制层(MAC)和网络物理层(PHY)的10/100 MHz以太网控制器,遵循IEEE802.3协议规范,MAC层提供以太网帧的发送和接收处理,PHY层只需要一个双路1:1隔离变压器就能够与以太网线路连接。设计中使用内置磁性隔离变压器的RJ45以太网连接器HR911105A与LM3S6911处理器的PHY直接相连,使得以太网外围接口电路简单、抗干扰能力强,主控板电路设计如图2所示。

LM3S6911同时提供两个同步串行接口(SSI)和3个通用异步收发器(UART),设置SSI0为SPI接口,通过SPI总线与ZigBee射频模块相连接。由于ZigBee以太网网关需要对其进行参数配置后才能正常工作,设计使用LM3S6911的UART0作为配置串行端口。
1.3 射频模块电路设计
ZigBee射频模块电路选用TI公司的2.4 GHz IEEE802.15.4和ZigBee应用片上系统解决方案专用芯片CC2530,CC2530能够以较低的成本构建强大的ZigBee无线网络,内置了性能优良的IEE 802.15.4兼容无线射频收发器和业界标准的增强型8051 CPU内核。
为增强ZigBee射频模块的发射功率和接收灵敏度,在射频电路设计中增加了2.4 GHz射频前端芯片CC2591,CC2591内置了功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA),使输出功率可达22 dBm,接收灵敏度可达-98.8 dBm,扩展了ZigBee无线射频信号的传输距离。
CC2530的RF输入输出为高阻抗差分信号,CC2591除了内置PA、LNA和RF开关电路外,还内置了巴伦电路和RF匹配网络,这使得在配合少量的外围被动器件,能够与CC2530进行良好的RF匹配,简化了无线射频电路设计,降低了射频电路中由于被动器件参数误差造成的无线信号衰减,射频模块电路设计如图3所示。

为达到最佳射频性能,CC2591电源引脚AVDD_PA1、AVDD_PA2和AVDD_LNA电源去耦器件C6、C7、C8、L3、L4、TL1、TL2和TL3必须被使用,其中TL1、TL2和TL3为PCB走线感抗等效值,近似值分别为TL1=0.66 nH,TL2=0.87 nH,TL3=2.52 nH,C5对AVDD_BIAS进行去耦。
CC2591的射频输出引脚通过L5、C9、C10、C11和L6组成的网络与外接50 Ω天线进行阻抗匹配,其中L5和C9组成滤波网络进行滤波,C10起隔直作用,C11进行高频滤波,L6进行低频滤波。
ZigBee在24 GHz频段最大传输速率是250kbit·s-1,设计中射频模块通过CC2530的SPI接口与主控板相连接,可满足ZigBee的数据传输速率要求。

2 软件设计
2.1 主控板软件设计
主控板软件设计在LM3S6911微处理器上移植了μC/OS-Ⅱ嵌入式实时操作系统,μC/OS-Ⅱ是一个开放源码的实时操作系统,但它只是一个实时的任务调度及通信内核,缺少对外围设备和接口的充分支持。为获得对以太网接口的支持,在其上移植了LwIP(Light Weight IP)TCP/IP协议栈。LwIP是一套用于嵌入式系统的开放源代码的TCP/IP协议栈,实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用,适合在低端嵌入式系统中使用。
在设计中基于μC/OS-Ⅱ操作系统,同时编写了SPI通信驱动程序和串口通信驱动程序,其中SPI驱动程序用于和ZigBee射频模块进行通信,串口驱动程序用于提供网关的串口配置功能。主控板软件工作流程如图4所示。

其中OSTaskCreate(taskStart,…)为μC/OS-Ⅱ操作系统第一个任务,在其中要进行目标板和

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