《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于ARM9處理器的ZigBee工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計
Icbuy
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摘要: 目前多標(biāo)準(zhǔn)多協(xié)議共存的場合應(yīng)用增多,而充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換橋梁作用的網(wǎng)關(guān)起到了關(guān)鍵作用當(dāng)前比較流行的兩個本地?zé)o線技術(shù)無疑是Wi-Fi 和藍(lán)牙,但是,對于低功耗、低帶寬的控制類應(yīng)用,諸如工廠內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò),ZigBee 或許是個更好的選擇。配備一個功能強大的處理器后,ZigBee 可以在低功耗、低帶寬的限制下高效完成很多復(fù)雜的應(yīng)用。
Abstract:
Key words :
  引言

  目前多標(biāo)準(zhǔn)多協(xié)議共存的場合應(yīng)用增多,而充當(dāng)協(xié)議轉(zhuǎn)換橋梁作用的網(wǎng)關(guān)起到了關(guān)鍵作用當(dāng)前比較流行的兩個本地?zé)o線技術(shù)無疑是Wi-Fi藍(lán)牙,但是,對于低功耗、低帶寬的控制類應(yīng)用,諸如工廠內(nèi)的傳感器網(wǎng)絡(luò),ZigBee 或許是個更好的選擇。配備一個功能強大的處理器后,ZigBee 可以在低功耗、低帶寬的限制下高效完成很多復(fù)雜的應(yīng)用。

  ZigBee 因其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)勢,成為工業(yè)無線通信技術(shù)中備受關(guān)注的技術(shù)之一。ZigBee 是一種低速網(wǎng)絡(luò),傳輸速度為10KB/S~250KB/S,多樣的互聯(lián)方式使得組網(wǎng)方式靈活而穩(wěn)健。

  文章介紹一種基于AT91SAM9260 的ZigBee 工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計,實現(xiàn)ZigBee 與工業(yè)以太網(wǎng)的一種透明接入,上層采用ZigBee 協(xié)議,應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場短距離的無線控制、監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸?shù)鹊囊蕴W(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換,并內(nèi)嵌嵌入式WebServer 實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)應(yīng)用框圖如圖1 所示用戶可通過ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)內(nèi)嵌得WebServer 直接訪問或修改儀表數(shù)據(jù),實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷等當(dāng)網(wǎng)關(guān)接入GPRS 或因特網(wǎng)后,無論你身處何地都可隨時訪問工業(yè)現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù),實現(xiàn)現(xiàn)場儀表的遠(yuǎn)程組態(tài)、遠(yuǎn)程診斷以及遠(yuǎn)程操作等功能,使世界范圍內(nèi)的不同傳感監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可以信息共享。

圖1 ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用示意圖

 
圖1 ZigBee 以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用示意圖

  1 硬件設(shè)計

  網(wǎng)關(guān)硬件如圖2,系統(tǒng)以AT91SAM9260 為核心,AT91SAM9260 為ATMEL 公司高性能ARM9 處理器,主頻可達(dá)200M,帶有以太網(wǎng)MAC,擴(kuò)展了以太網(wǎng)PHY 模塊、 ZigBee 無線通信模塊、Nand FLASH和SDRAM。圖中K9F2G08 為256M的Nand FLASH,HY57V64162為64M SDRAM,與AT91SAM9260 的地址線、數(shù)據(jù)線、片選線、讀寫線直接無譯碼相連接。

  DM9161 為以太網(wǎng)PHY 芯片,10M/100M 兼容,實現(xiàn)以太網(wǎng)物理層CC2520 是TI 公司的第二代的ZigBee/ IEEE 802.15.4 RF 收發(fā)器,具有當(dāng)今業(yè)界最佳的選擇性/共存性及優(yōu)異的鏈路預(yù)算功能特點,目標(biāo)滿足各種應(yīng)用中ZigBee/IEEE 802.15.4 同專有無線系統(tǒng)的要求,而且提供了廣泛的硬件支持,包括數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)認(rèn)證、空閑通道評估、鏈接質(zhì)量指示以及數(shù)據(jù)包計時信息等,與AT91SAM9260之間通過SPI 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊與控制。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框圖
 
圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框圖

  2 軟件設(shè)計

  網(wǎng)關(guān)軟件采用內(nèi)嵌Linux-2.6.28 內(nèi)核,在上層應(yīng)用添加ZigBee 服務(wù),實現(xiàn)ZigBee 與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)數(shù)據(jù)報文通過 UDP 端口接收,去掉幀頭幀尾,附加Zigbee 短地址,通過串口發(fā)給CC2520,封裝為 ZigBee 報文發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)的ZigBee 報文由CC2520轉(zhuǎn)為串口數(shù)據(jù)接收,去掉ZigBee 短地址,附加UDP 幀頭幀尾,然后由以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)。軟件設(shè)計架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計架構(gòu)
 
圖3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計架構(gòu)

  軟件執(zhí)行流程圖如圖4 所示,底層的硬件初始化包括時鐘的設(shè)置、GPIO 的管理、串口的配置、以太網(wǎng)接口MII 的配置以及PHY 芯片的設(shè)置等,然后CC2520 的初始化配置無線通信模塊符合ZigBee 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),CC2520 初始化設(shè)置后,模塊即可以實現(xiàn)透明串口傳輸,與ARM 處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。為適應(yīng)短幀實時和確定性通信發(fā)展趨勢,以太網(wǎng)通信采用UDP/IP 協(xié)議啟動linux 內(nèi)核多任務(wù)調(diào)度管理,進(jìn)行串口數(shù)據(jù)的收發(fā)、UDP 的接收與發(fā)送以及嵌入式WebServer 等任務(wù)。

圖4 軟件執(zhí)行流程
 
圖4 軟件執(zhí)行流程

  3 ZigBee與以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計

  TCP/IP 協(xié)議使用MAC 地址進(jìn)行硬件地址的識別并使用ARP 協(xié)議進(jìn)行硬件地址到IP 地址的解析因此必須完成ZigBee 到ARP 地址的轉(zhuǎn)換,才能保證正常通訊ZigBee 中每個節(jié)點都有自己的MAC 地址,格式由64 位長地址和16 位短地址組成文章設(shè)計實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議中適配層和ARP,完成ZigBee 中MAC 地址到以太網(wǎng)IP 地址的映射工作流程圖如圖5 所示當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到一個正常發(fā)往本地IP 的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包后,經(jīng)過協(xié)議判斷送往上層UDP(TCP)處理,最后到網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序處理網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序經(jīng)過分析判斷,確定需要轉(zhuǎn)發(fā)給ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的哪個節(jié)點,經(jīng)過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應(yīng)的ZigBee 中的節(jié)點MAC地址,將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包送至該節(jié)點,完成一次數(shù)據(jù)通訊。

  同理,當(dāng)ZigBee 端收到數(shù)據(jù)包后,通過同樣的解析將數(shù)據(jù)包送至對應(yīng)節(jié)點或設(shè)備通過內(nèi)嵌的WebServer 用戶可實現(xiàn)ZigBee 節(jié)點的實時訪問、修改、組態(tài)等。

圖5 網(wǎng)關(guān)協(xié)議工作框圖
 
圖5 網(wǎng)關(guān)協(xié)議工作框圖

  4 結(jié)束語

  在網(wǎng)關(guān)中內(nèi)嵌WebServer,可通過以太網(wǎng)隨時訪問或修改現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù),實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,遠(yuǎn)程診斷等該產(chǎn)品有效的解決了工業(yè)現(xiàn)場短距離ZigBee 無線通訊連接以太網(wǎng)的問題,以全新的方式向物聯(lián)網(wǎng)靠攏。

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