LPC1227的遠(yuǎn)距離ZigBee無線網(wǎng)關(guān)設(shè)計

摘要：介紹了一種基于GPRS和遠(yuǎn)距離ZigBee無線通信技術(shù)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟硬件設(shè)計方法與實現(xiàn)方案。網(wǎng)關(guān)采用基于Cortex-M0內(nèi)核的LPC1227微控制器，結(jié)合GSM模塊、ZigBee芯片和2．4 GHz無線功率放大芯片，實現(xiàn)了GPRS網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。為測試網(wǎng)關(guān)功能，搭建了針對路燈節(jié)能、監(jiān)控應(yīng)用的上位機測試系統(tǒng)。測試表明，網(wǎng)關(guān)工作穩(wěn)定，能夠滿足低成本、高實時性的要求。
關(guān)鍵詞：無線網(wǎng)關(guān)；LPC1227；CC2530；CC2591；EM310

引言
    物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮。它代表了下一代信息發(fā)展技術(shù)，被世界各國當(dāng)作應(yīng)對國際金融危機、振興經(jīng)濟的重點技術(shù)領(lǐng)域。
    物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，而無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點則是實現(xiàn)感知層與網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)交互的橋梁，在物聯(lián)網(wǎng)中具有特殊的地位。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議解析，不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯聚、存儲、處理、轉(zhuǎn)發(fā)等功能，成為物聯(lián)網(wǎng)感知層與網(wǎng)絡(luò)層不可缺少的紐帶。因此設(shè)計出成本低、效率高、運行穩(wěn)定的網(wǎng)關(guān)對物聯(lián)網(wǎng)的推廣有著重要的現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)方案
    本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)主要由高速微控制器LPC1227、ZigBee射頻收發(fā)模塊、GSM通信模塊EM310、AC—DC電源模塊等組成。網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    為了滿足網(wǎng)關(guān)低成本、高實時性的要求，網(wǎng)關(guān)的MCU采用基于Cortex-M0內(nèi)核的LPC1227微控制器，該微控制器由NXP半導(dǎo)體公司設(shè)計，于2011年2月投入市場。微控制器可在高達(dá)45 MHz的CPU頻率下運行，包含128 KB片內(nèi)Flash存儲器和8 KB數(shù)據(jù)存儲器。512字節(jié)Flash擦除扇區(qū)帶來了多種設(shè)計上的好處，同時該芯片有兩個具備內(nèi)部FIFO的UART。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件不采用任何嵌入式操作系統(tǒng)，利用最小的軟件負(fù)載實現(xiàn)高實時性。
    網(wǎng)關(guān)的ZigBee芯片采用TI公司的CC2530芯片，相對于當(dāng)前使用較多的CC2430芯片，CC2530芯片的性價比更高。兩種芯片的主要參數(shù)對比如表1所列。

    網(wǎng)關(guān)中擴展了配合CC2530芯片的射頻前端芯片CC2591。CC2591是TI公司推出的工作頻率為2．4GHz，面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591集成了可將輸出功率提高+22 dBm的功率放大器以及可將接收機靈敏度提高+6 dBm的低噪聲放大器，從而擴大了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。
    網(wǎng)關(guān)采用華為公司設(shè)計的EM310 GSM模塊，該模塊具備內(nèi)置的TCP／IP協(xié)議棧，方便實現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)和以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)交互。[!--empirenews.page--]

2 硬件設(shè)計
2．1 網(wǎng)關(guān)電源電路
    LPC1227、CC2530和CC2591芯片需要3．3 V電壓供電?？紤]到GSM模塊EM310的輸入電壓范圍為3．4～4．7 V，本次設(shè)計采用4．1 V電壓對EM310模塊供電。因此網(wǎng)關(guān)電源電路設(shè)計為3．3 V和4．1 V輸出的應(yīng)用系統(tǒng)，如圖2所示。

    首先由JP1電源接口輸入220 V的交流電，經(jīng)過AC—DC電源模塊輸出9 V直流電源。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中GSM模塊功耗最大，雖然EM310最大瞬時電流可達(dá)到1．6 A，但是EM310處于GPRS工作模式時只需要400 mA電流。綜合考慮AC—DC模塊的體積、成本以及系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，最終選擇了功率為10 W的AC—DC電源模塊，可保證系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。為了穩(wěn)定地向EM310提供4．1 V的電壓，LDO芯片(低壓差電源芯片)選擇Sipex公司的SP X29302芯片，該芯片可穩(wěn)定輸出高達(dá)3A的電流，結(jié)合43kΩ和100kΩ的電阻，可將輸出電壓調(diào)節(jié)到4．1V。
    為保證3．3 V的輸出電壓采用了3．3 V的SPX1117LDO芯片，它的輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓的精度在±1％。
    兩種LDO的輸出端都采用一個10μF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。
2．2 遠(yuǎn)距離ZigBee模塊電路
    遠(yuǎn)距離ZigBee模塊電路主要由晶振電路、CC2530芯片、CC2591芯片、芯片間RF差分信號線的匹配鏈路、RF信號到天線的匹配電路、CC25 91控制信號線，以及電源的退耦濾波部分組成。本文只給出ZigBee模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。

    對于CC2591的3個使能控制引腳，CC2530與CC2591的引腳連接分配如下：P1_1對應(yīng)PA EN，P1_4對應(yīng)EN，P0_7對應(yīng)HGM。
    在實際設(shè)計ZigBee模塊的PCB電路板時，需注意以下2點：
    ①CC2530的GND引腳在芯片底部，畫PCB封裝時可在GND焊盤上添加GND過孔，以實現(xiàn)芯片的GND引腳與PCB板上的GND相連。
    ②TI公司提供的CC2591設(shè)計資料中建議采用4層板設(shè)計，考慮成本因素，本次設(shè)計仍采用2層PCB設(shè)計。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)ZigBee節(jié)點間的通信距離在采用5 dm全向天線時，無障礙通信距離可達(dá)1 km以上，滿足設(shè)計需要。[!--empirenews.page--]
2．3 EM310模塊電路
    EM310是由華為公司設(shè)計的GSM模塊。它的輸入電壓設(shè)計在第1節(jié)中已有介紹。這里需要注意2點：
    ①串口引腳的連接。EM310模塊采用串口與LPC1227進(jìn)行通信，EM310串口引腳的連接比較特殊。RXD對應(yīng)終端設(shè)備的RXD口，TXD對應(yīng)終端設(shè)備的TXD口。因此LPC1227與EM310相連時引腳分配如下：PIO0_1／RXD0對應(yīng)RXD，PIO0_2／TXD0對應(yīng)TXD。
    ②本次設(shè)計中雖然不需要使用EM310進(jìn)行語音通話，但建議EM310模塊的RING引腳與LPC1227的GPIO引腳相連。因為EM310模塊在收到短信和語音呼叫時都會在RING引腳輸出低電平，LPC1227通過中斷可以及時計算出RING引腳低電平持續(xù)時間，從而盡快地對短信或來電進(jìn)行處理，比采用軟件查詢方式更具有實時性。

3 軟件設(shè)計
    網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器程序和嵌入式處理器程序構(gòu)成。
3．1 ZigBee協(xié)調(diào)器程序
    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種類型的設(shè)備：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設(shè)備。其中協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)關(guān)中的ZigBee模塊需要在程序中配置為協(xié)調(diào)器類型。
    協(xié)調(diào)器程序采用最新的TI公司推出的ZigBee協(xié)議棧2007版，該協(xié)議棧可很好地支持網(wǎng)絡(luò)的自組織和自愈合。相對于目前使用較多的ZigBe e協(xié)議棧2006版，07版協(xié)議棧在06版協(xié)議?；A(chǔ)上主要增加了支持多密鑰高安全性、大型網(wǎng)絡(luò)和分割傳輸?shù)忍匦浴?br />     協(xié)調(diào)器程序在已有協(xié)議?；A(chǔ)上，主要還需增加如下部分：
    ①2007版ZigBee協(xié)議棧中包含了CC2591控制程序，為了使用CC2591，在協(xié)調(diào)器程序中需要開啟“halboard_cfg．h”文件中的HAL_PA_LNA編譯選項。
    ②增加串口處理任務(wù)，實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)處理器的串口通信。
    ③按照自定義的數(shù)據(jù)傳輸幀格式解析、處理接收到的數(shù)據(jù)，按照自定義的數(shù)據(jù)傳輸幀格式構(gòu)造待發(fā)送的數(shù)據(jù)。
    ④定期向全網(wǎng)廣播包含RTC信息的數(shù)據(jù)包。定期廣播該數(shù)據(jù)包對于全網(wǎng)節(jié)點來說有兩種作用。一是該數(shù)據(jù)包可實現(xiàn)全網(wǎng)節(jié)點RTC同步；二是網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點可通過定期檢查有無收到該數(shù)據(jù)包判斷協(xié)調(diào)器有無出現(xiàn)異常。此設(shè)計很適合包含路由器、需要RTC同步的大型網(wǎng)絡(luò)。
    ⑤增加CC2530芯片的看門狗初始化以及定期喂狗程序。
3．2 嵌入式處理器程序
    為了實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的低成本、高實時性設(shè)計，本次網(wǎng)關(guān)不采用任何嵌入式操作系統(tǒng)。整個軟件系統(tǒng)采用前后臺的編程思想，后臺ISR(中斷服務(wù)程序)和前臺主程序循環(huán)之間的數(shù)據(jù)交換可以通過事件標(biāo)志和數(shù)據(jù)緩存區(qū)來實現(xiàn)。
    由于EM310模塊內(nèi)置了TCP／IP協(xié)議，因此網(wǎng)關(guān)的MCU向該模塊直接發(fā)送AT指令即可與目標(biāo)上位機建立TCP／IP連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸；通過發(fā)送AT指令還可收發(fā)短信、掛斷語音通話。為了增強網(wǎng)關(guān)的靈活性以及降低運行成本，網(wǎng)關(guān)采用GPRS方式與上位機進(jìn)行通信，同時保留處理短信功能，實現(xiàn)短信對網(wǎng)關(guān)的配置與操控。比如遇到目標(biāo)上位機IP地址變動的情況時，可通過給網(wǎng)關(guān)發(fā)送短信，配置網(wǎng)關(guān)最新目標(biāo)IP地址然后再與目標(biāo)主機建立GPRS連接。
    對于該部分程序，需要注意以下幾點：
     ①LPC1227具備在應(yīng)用中編程的功能，對于需要掉電保存的信息可無須外擴Flash芯片而直接通過執(zhí)行程序?qū)⑻囟ㄐ畔⒈４娴絃PC1227芯片中。
     ②ZigBee協(xié)調(diào)器中RAM空間很有限，而且自身的Flash擦除次數(shù)也有限(CC2530支持約2萬次的擦寫，而LPC1227可支持約10萬次的擦寫)?？紤]到保存ZigBee網(wǎng)絡(luò)中大量節(jié)點的16位網(wǎng)絡(luò)地址需要很大的空間，而協(xié)調(diào)器中RAM空間明顯不夠用，如果保存到協(xié)調(diào)器的Flash中又會影響CC2530芯片的使用壽命，因此采用LPC1227中的RAM空間來保存節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址。畢竟LPC1227芯片8 KB的RAM空間足以保存一個大型網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址。同時，LPC1227具備的在應(yīng)用編程功能可將節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址信息保存在自身Flash中。
     ③本次設(shè)計中自定義的ZigBee數(shù)據(jù)傳輸幀的節(jié)點ID號采用一字節(jié)進(jìn)行保存。因此，一個網(wǎng)關(guān)所建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量最大可為255個節(jié)點(除去協(xié)調(diào)器節(jié)點)。為了實現(xiàn)簡單的ZigBee節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點號之間的地址映射，采用如下代碼實現(xiàn)(前提是節(jié)點編號從0到255)：
    uint16 Node[256]； ／／定義用于保存16位網(wǎng)絡(luò)地址的數(shù)組
    Node[x]=NetAddr； ／／保存節(jié)點號為x的網(wǎng)絡(luò)地址
    NetAddr=Node[x]； ／／獲取節(jié)點號為x的網(wǎng)絡(luò)地址
    嵌入式處理器程序的MCU程序處理流程如圖4所示。

[!--empirenews.page--]
4 測試結(jié)果
    網(wǎng)關(guān)的測試借助上位機測試平臺和ZigBee終端節(jié)點，以無線路燈節(jié)能、監(jiān)控系統(tǒng)為應(yīng)用背景。
    上位機測試平臺如圖5所示。

    網(wǎng)關(guān)技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

5 總結(jié)
    本次設(shè)計中網(wǎng)關(guān)沒有采用任何嵌入式操作系統(tǒng)，相比當(dāng)前采用的嵌入式操作系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，它具有更小的軟件負(fù)荷和更低的軟硬件成本。網(wǎng)關(guān)中的ZigBee模塊加入了2．4 GHz功率放大芯片CC2591，使得ZigBee節(jié)點間的無線通信距離更大，更適用于遠(yuǎn)距離無線通信場合。
    網(wǎng)關(guān)的MCU采用較新的基于Cortex-M0內(nèi)核的ARM芯片LPC1227，運行速度高達(dá)45 MHz，具備在應(yīng)用編程(IAP)功能，方便對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的掉電保存。兩路串口與ZigBee模塊和GSM模塊連接方便，具有較高的性價比。
    系統(tǒng)軟件的編寫采用前后臺的設(shè)計思想，使得網(wǎng)關(guān)具有很好的實時性和可靠性，滿足工業(yè)級要求。因此本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)在低成本、遠(yuǎn)距離ZigBee通信領(lǐng)域具有較高的推廣價值。