基于ZigBee和以太網的無線網關設計

基于ZigBee和以太網的無線網關設計1引言ZigBee是一種新興短距離、低功耗、低傳輸速率的無線傳感器網絡通信技術。以IEEE802.15.4為標準，通過傳感器節(jié)點相互通信，以接力的方式將采集數(shù)據傳到另一個網絡節(jié)點或協(xié)調器節(jié)。該技術使用免費的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(shù)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合。隨著計算機分布式處理、互聯(lián)網等技術被廣泛應用，計算機的聯(lián)網需求迅速擴大。如何通過現(xiàn)有網絡基礎設施對傳感器網絡進行遠程管理，逐漸成為傳感器網絡和計算機網絡研究課題?；赯igBee和以太網的無線網關設計就是在無線傳感器網絡和互聯(lián)網之間搭建一條數(shù)據傳輸通道。本設計中數(shù)據傳輸系統(tǒng)將ZigBee數(shù)據包轉化為以太網的TCP/IP協(xié)議的數(shù)據包，實現(xiàn)數(shù)據在兩個協(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技術和以太網互通，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測和遠程控制。2系統(tǒng)概述結合ZigBee和以太網的數(shù)據傳輸網絡體系統(tǒng)包括ZigBee網絡和以太網兩部分。ZigBee網絡通過網絡節(jié)點將采集數(shù)據以多跳變的方式傳送到ZigBee匯接點，匯接點將數(shù)據發(fā)送到網關，網關進行ZigBee數(shù)據包解析，從數(shù)據包中提取有效信息數(shù)據，進行協(xié)議轉換和數(shù)據包重新封裝打包成TCP/IP數(shù)據包，經過以太網傳輸將數(shù)據送到控制中心，完成整個網絡的數(shù)據傳輸。圖1給出了結合ZigBee網絡和以太網的數(shù)據傳輸網絡體系結構。圖1結合ZigBee和以太網的數(shù)傳網絡體系結構網關是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉換器，連接ZigBee和以太網兩個相互獨立的網絡，實現(xiàn)ZigBee和以太網協(xié)議轉換，并將數(shù)據壓縮打包封裝，在轉發(fā)之前經MCU（微處理器）將它轉化為另一種數(shù)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(shù)據傳輸。從結構圖可抽象出結合ZigBee和以太網的網關結構，如圖2所示。圖2結合ZigBee和以太網的網關結構3芯片選型3.1ZigBee芯片的選型選用成都Chipcon公司的無線收發(fā)芯片CC2430作為本設計ZigBee網絡的傳輸方案。CC2430是一顆真正片上系統(tǒng)芯片，內部集成一個高性能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］，無需再選另外的處理器，使設計簡化。3.2以太網芯片的選型選取臺灣RETLTEK公司的網卡芯片RTL8019，該芯片ISA總線高度集成，具有價格低，接口簡單，不需要轉接芯片，兼容性強等特點。4總體設計4.1硬件設計本設計采用CC2430片上8051內核作為整個系統(tǒng)的MCU，來控制以太網芯片RTL8019，實現(xiàn)ZigBee和以太網協(xié)議轉換和數(shù)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總線和UART的接口，硬件接口沒有選用另外的轉接芯片而采用軟件模擬的方式來解決地址數(shù)據的總線接口問題，從而使系統(tǒng)的硬件設計簡化。硬件接口采用8位數(shù)據總線方式，通過跳線的方式來選擇RTL8019在ISA總線上的數(shù)據讀取方式的，使RTL8019工作在8位數(shù)據總線方式。4.2協(xié)議轉換設計圖4網關協(xié)議轉換框圖在TCP/IP協(xié)議簇中，以太網的數(shù)據傳輸使用硬件地址（MAC）來進行識別，其中，ARP（地址解析協(xié)議）完成IP地址和數(shù)據鏈路層使用的硬件地址之間的轉換［4］，因此為了保證ZigBee網關在以太網中的通信，首先要實現(xiàn)ARP協(xié)議的功能。ZigBee網絡中節(jié)點都擁有自己唯一的MAC地址，參考TCP/IP下的實現(xiàn)機制，實現(xiàn)ZigBee協(xié)議中的適配層和ARP，實現(xiàn)IP地址到ZigBee節(jié)點地址的映射。協(xié)議轉化框圖如圖4所示，據圖描述數(shù)據從ZigBee向以太網方向轉換過程：無線網絡中ZigBee節(jié)點，接收指令將數(shù)據包打包，簡單判斷后向上發(fā)送給本地ARP，通過ARP解析出該節(jié)點的網絡MAC地址，確定要發(fā)送到的以太網地址；然后向上發(fā)送給網關應用程序，經分析后發(fā)送到對應的以太網UDP或TCP處理函數(shù)進行相應處理，向下發(fā)送到以太網端口MAC地址。這樣就完成了數(shù)據從ZigBee向以太網的協(xié)議轉換過程。4.3數(shù)據傳輸數(shù)據包發(fā)送流程如圖5所示：調用初始化函數(shù)，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(shù)，確定要發(fā)送的數(shù)據的長度，定位要發(fā)送數(shù)據的目的地址，判斷是是否超出最大有效載荷允許的長度，否則數(shù)據被分成幾個包發(fā)送；然后調用sppSend（&txData）函數(shù)，該程序用來發(fā)送數(shù)據指針指向的數(shù)據包。首先設置DMA方式，禁止RF中斷添要發(fā)送的數(shù)據包的格式（SPP_RX_STRUCT），加載的包長，目的地址，源地址、標志位以及有效載荷，打開接受確認鏈路，然后發(fā)送數(shù)據。如果設置要求確認，則會自動切換到接受狀態(tài)；如果設定的確認幀的最大接收時間還沒有接受的則會設定重發(fā)標志；如果重發(fā)還沒有接受則回報告發(fā)送失敗。圖5數(shù)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。5.1CC2430硬件電路圖6CC2430硬件電路圖CC2430部分是ZigBee網絡無線收發(fā)部分，采用32MHZ晶振為系統(tǒng)提供時序。電路使用一個非平衡天線，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)據總線，地址總線和控制總線，具體分配如下：P0口作8位數(shù)據口；P1口的低5位作地址口；P2.0，P2.3分別作讀寫的選通信號；P2.4口作中斷申請信號線。5.2RTL8019硬件電路RTL8019負責將ZigBee數(shù)據包轉換為TCP/IP數(shù)據包。電路中采用20M晶振提供工作時序。本地DMA接口把網卡芯片與網線的連接通道，完成控制器與網線的數(shù)據交換。工作模式：RTL8019的第65腳JP決定網卡芯片的工作方式，接高電平為跳線工作方式。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7RTL8019硬件電路圖網絡接口：由RTL8019的74、77引腳決定，使用自動檢測，64引腳為低電平，使用BNC接口。中斷：RTL8019的78、7