一种ZigBee以太网网关的设计

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
1．1 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