基于Zigbee的無線投票表決器基站設(shè)計(jì)思路

摘 要：設(shè)計(jì)了一款以ARM7 芯片AT91SAM7X256 為核心，μC/OS-II 為操作系統(tǒng)的基于Zigbee 技術(shù)無線投票基站。該基站用于連接Zigbee 網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)。實(shí)現(xiàn)了無線投票表決器遠(yuǎn)程監(jiān)控和多會(huì)議室同時(shí)投票功能。主要分析了該基站的軟件設(shè)計(jì)，介紹了基站如何建立無線投票表決器網(wǎng)絡(luò)，收集表決器的投票情況，接受遠(yuǎn)程監(jiān)控訪問的過程。并且對(duì)其硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)做了相應(yīng)描述。

　　1 引言

　　投票表決器在選舉，會(huì)議，教學(xué)，娛樂節(jié)目中得到大量的使用。現(xiàn)行的無線表決系統(tǒng)采用單一的無線網(wǎng)絡(luò)，使無線終端設(shè)備與上位機(jī)進(jìn)行通信。由于無線網(wǎng)絡(luò)存在傳輸距離有限，對(duì)障礙物穿透性較差等問題，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和多會(huì)議室同時(shí)投票等問題。本文利用Zigbee 技術(shù)具有低功耗，使用頻段免費(fèi)和以太網(wǎng)具有傳輸遠(yuǎn)，傳輸速率快等特點(diǎn)，將二者相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款無線投票表決器基站。實(shí)現(xiàn)了無線投票表決器遠(yuǎn)程監(jiān)控和多會(huì)議室同時(shí)投票功能。

　　2 系統(tǒng)概述

　　整個(gè)無線投票表決器系統(tǒng)，由監(jiān)控中心，基站，表決器組成，如圖1 所示?；炯茸鳛檫h(yuǎn)程監(jiān)控中心與無線投票表決器設(shè)備通信的樞紐，并且還作為無線投票表決器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，維護(hù)和管理整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)?；臼占魍镀北頉Q器的投票情況，接受遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的指令和定時(shí)訪問。

圖1 無線投票表決器系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　基站硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由ARM7 處理器AT91SAM7X256、無線模塊、以太網(wǎng)模塊，存儲(chǔ)模塊，電源模塊，和顯示模塊組成。

圖2 硬件整體結(jié)構(gòu)

　　其中AT91SAM7X256 作為整個(gè)基站的主控芯片，由Atmel 公司出品，它集成了ARM7TDMI 處理器，片內(nèi)256KB Flash 和64KB SRAM,還包括了USART、SPI、CAN 控制器、Ethernet 網(wǎng)口等外圍設(shè)備。

　　無線模塊采用CC2520 芯片。CC2520 是由TI 公司推出的第二代基于Zigbee/IEEE802.15.4 協(xié)議的收發(fā)芯片。豐富的硬件支持幀處理，數(shù)據(jù)緩存，數(shù)據(jù)加密，CCA 等操作。CC2520 通過SPI 接口與AT91SAM7X256 實(shí)現(xiàn)通信。AT91SAM7X256 分別通過/CSN 引腳和VREG_EN 引腳對(duì)CC2520 進(jìn)行片選和使能，GPIO4 引腳為AT91SAM7X256 提供接收數(shù)據(jù)幀起始信號(hào)和發(fā)送數(shù)據(jù)幀結(jié)束信號(hào)。

　　以太網(wǎng)模塊采用DM9161 芯片，DM9161 是Davicom 公司推出的能實(shí)現(xiàn)全部10M/100M 以太網(wǎng)物理功能的低功耗高性能物理層收發(fā)器。

4 軟件設(shè)計(jì)

圖3 軟件整體結(jié)構(gòu)。

　　軟件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖3 所示。本基站采用μC/OS-II 操作系統(tǒng)，并在此操作系統(tǒng)上完成基于TCP/IP協(xié)議的LwIP 協(xié)議棧和基于Zigbee 協(xié)議的msstatePAN協(xié)議棧的移植，以及以太網(wǎng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序，無線收發(fā)芯片驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序的編寫工作[3,4].下面將詳細(xì)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序進(jìn)行詳細(xì)的說明。

　　4.1 以太網(wǎng)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)

　　由EMAC_INIT（）函數(shù)完成對(duì)EMAC 的初始化設(shè)置，其中包括對(duì)EMAC 操作模式、MII 接口和PHY進(jìn)行配置，設(shè)置發(fā)送和接收緩沖區(qū)描述符[5].MII 接口是IEEE-802.3 定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，用于 FastEthernet MAC-block 與各種類型的PHY 連接[6]. 它包括一個(gè)數(shù)據(jù)接口，以及一個(gè)MAC 和PHY 之間的管理接口。在PHY 上電后，先對(duì)DM9161 進(jìn)行一次軟件復(fù)位操作，待軟件復(fù)位結(jié)束后使EMAC 和PHY 各自進(jìn)行初始化設(shè)置，并使能EMAC 和PHY 接口，然后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)協(xié)商過程，在自動(dòng)協(xié)商過程中，依靠MDIO接口是EMAC 和PHY 進(jìn)行通訊，使二者配置成相同的速度和雙工模式。最后設(shè)置EMAC 地址并完成接收和發(fā)送緩沖區(qū)標(biāo)識(shí)符的初始化工作，使得每個(gè)描述符指向正確的緩沖地址并將描述符首地址寫入隊(duì)列指針寄存器。EMAC 的數(shù)據(jù)包讀取和數(shù)據(jù)包傳送分別由EMACReadPacke（）和EMACSendPacket（）函數(shù)來完成，其中為了保證獲得正確的數(shù)據(jù)包讀取位置在讀取數(shù)據(jù)包之前必需先調(diào)用GetInputPacketLen（）函數(shù)獲得數(shù)據(jù)包的長度。

　　4.2 Zigbee 收發(fā)芯片CC2520 驅(qū)動(dòng)

　　由初始化模塊，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊組成。通過初始化模塊對(duì)CC2520 進(jìn)行初始化配置。其中包括對(duì)CC2520 進(jìn)行啟動(dòng)，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)頻道號(hào)，發(fā)射功率，自動(dòng)CRC 校驗(yàn)，將GPIO4 管腳配置成用來接收SFD 幀起始信號(hào)。

　　發(fā)射模塊完成數(shù)據(jù)的發(fā)送任務(wù)。下面程序?yàn)閿?shù)據(jù)發(fā)送過程。

　　先清除發(fā)送緩沖區(qū)，再將待發(fā)數(shù)據(jù)包寫入發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)并進(jìn)入待發(fā)狀態(tài)，然后根據(jù)GPIO4 管腳信號(hào)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，若未發(fā)送完畢繼續(xù)等待，若發(fā)送完畢清楚SFD 標(biāo)志位，最后使CC2520 進(jìn)入空閑狀態(tài)。

　　接收模塊完成數(shù)據(jù)的接收任務(wù)。當(dāng)檢測(cè)到CC2520的GPIO4 管腳的SFD 信號(hào)后，產(chǎn)生中斷，進(jìn)入到接收中斷服務(wù)程序。接收中斷服務(wù)程序與發(fā)送程序類似，這里不再一一列出。

　　4.3 應(yīng)用層

　　主要實(shí)現(xiàn)：1.以太網(wǎng)和Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的建立。2.接受遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的訪問和各項(xiàng)指令。3.維護(hù)并管理整個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。4.接收來自Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的各投票表決器的投票數(shù)據(jù)幀。程序流程圖如圖4 所示。

　　首先建立以太網(wǎng)絡(luò)，完成與上位機(jī)的連接后，上位機(jī)向基站發(fā)出建立無線投票表決器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)信息幀。基站根據(jù)基礎(chǔ)信息幀中指定的頻段，PAN 號(hào)，發(fā)射功率等參數(shù)建立Zigbee 網(wǎng)絡(luò)。各無線表決器申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)，成功加入后將會(huì)將獲得由基站（Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器）分配的一個(gè)16 位動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)短地址。并同時(shí)提示用戶表決器通信正常。否則提示通信失敗。

在設(shè)定時(shí)限內(nèi)，基站統(tǒng)計(jì)成功加入該網(wǎng)絡(luò)的投票表決器數(shù)目，并向上位機(jī)發(fā)送統(tǒng)計(jì)結(jié)果。屏蔽此后所有申請(qǐng)加入該網(wǎng)絡(luò)的投票表決器設(shè)備直到基站收到上位機(jī)更新網(wǎng)絡(luò)的命令。上位機(jī)收到參與該階段的投票表決器總數(shù)若大于設(shè)定的最低人數(shù)時(shí)，則向基站發(fā)送投票信息幀。若參與該階段的投票表決器總數(shù)若小于設(shè)定的最低人數(shù)時(shí)上位機(jī)則向基站發(fā)送延長等待投票表決器加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)限指令。若再次超過時(shí)限仍未達(dá)到指定人數(shù)則提示該階段投票無效。投票信息幀中包括本階段投票的投票格式，投票類型等內(nèi)容。基站收到投票信息幀后并向整個(gè)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播，此時(shí)投票開始進(jìn)行。Zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的各投票表決器根據(jù)收到的投票信息幀，將提示用戶進(jìn)行相應(yīng)的投票操作。用戶完成投票操作后，投票表決器將投票數(shù)據(jù)幀發(fā)送給基站，基站將投票數(shù)據(jù)幀存入到Zigbee_BUF 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，并向投票表決器發(fā)送回復(fù)幀，向用戶指示成功發(fā)送。然后收回該投票表決器的網(wǎng)絡(luò)短地址，使其脫離該網(wǎng)絡(luò)，防止用戶進(jìn)行二次投票。

圖4 應(yīng)用程序。

　　上位機(jī)定時(shí)向基站進(jìn)行訪問，基站收到訪問請(qǐng)求后向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)容。上位機(jī)收到后返回信息確認(rèn)幀?；窘邮艿缴衔粰C(jī)的信息確認(rèn)幀之后清除數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)容?；驹谝?guī)定投票時(shí)限內(nèi)，收回所有網(wǎng)絡(luò)短地址，使本次加入該網(wǎng)絡(luò)的投票表決器全部脫離，停止用戶進(jìn)行投票。

　　完成該階段投票過程后，進(jìn)入新階段投票時(shí)，上位機(jī)向基站發(fā)送更新網(wǎng)絡(luò)命令。此時(shí)，基站重新允許投票表決器加入該網(wǎng)絡(luò)。開始新一輪的投票過程。

　　4.4 實(shí)現(xiàn)結(jié)果

　　基站完成了聯(lián)調(diào)工作。成功的實(shí)現(xiàn)了本文介紹的全部功能。圖5 為頻譜儀監(jiān)測(cè)基站與無線投票表決器進(jìn)行通信時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸情況。

圖5 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心上位機(jī)監(jiān)控軟件。

　　5 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)的基站實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)和Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的連接，為Zigbee 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了一些思路。該基站已投入市場(chǎng)，并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。如何在功耗和傳輸速度上提高基站的性能以及設(shè)計(jì)出能與現(xiàn)行的多種協(xié)議互聯(lián)的基站是我們今后研究的重點(diǎn)。