基于ZigBee协议的传输系统设计

施茂祺

（江西财经职业学院 现代教育技术中心，婺源 332000）

0 引言

随着通信技术的迅速发展，GSM、3G等无线通信技术以及蓝牙、WiFi等无线网络越来越被人们所熟悉和应用。然而这些技术的系统一般非常复杂，功耗大、成本较高。而ZigBee技术以其无需布线，价格低廉，低功耗、设计简单等特点，在许多的应用场合，尤其在无线传感器网络方面发挥其它网络不可替代的作用[1]。本文就如何结合ZigBee技术和以太网的数据传输，做了系统的研究设计。

1 系统的整体设计方案

本文要实现的是ZigBee传感器网络采集数据，经过ZigBee网络跳变传输实现数据的传输，送至无线传感器网络无线网关，网关进行数据解包和打包的格式转换，发送到以太网网络上。主要设计工作是搭建传输系统的硬件平台，硬件设计框图如图1所示。

图1 系统硬件结构框图

本系统中要设计实现网关和终端节点两种硬件实物，其中网关的设计较为复杂，是设计的重点。文中网关的设计思想是采用ZigBee芯片中集成的8051内核作为主处理芯片，与以太网控制芯片RTL8019AS相结合，将ZigBee传感器网络采集的数据与外部网络互联，实现数据在不通网络中传输。

请求和控制信息从以太网的网络中传来，经过RJ-45接口送到以太网控制器RTL8019AS中，以太网控制器主要是将接收到的数据包进行解析，得到原始的请求和控制消息，并送到微处理器中，微处理器根据相应请求进行处理，将处理后的消息再通过相反的过程传到以太网网络中，最后反映给用户。

终端节点设计是利用ZigBee芯片的I/O口外接传感器，并辅助设计它的外围电路，编程口，电源供电等电路。设计中主要是设计并验证系统的可行性及正确性，传感器类型的选择可以根据不同的应用需求选择和改变相应的传感器，增加系统的通用性。

基于系统对芯片的优越性比较，我们ZigBee芯片选择TI公司的CC2430芯片，以太网控制芯片选取台湾RETLTEK公司的以太网控制芯片RTL8019AS。

2 网关设计

经过ZigBee和以太网两块芯片的工作方式的分析，本系统的硬件接口采用8位的数据总线方式。鉴于CC2430的I/O的限制和系统设计的整体的成本的考虑，采用口线模拟的方式来实现数据的读取。

C2430有21个数字I/O口，能够配置为通用的I/O口、计时器或串行通信口，输入的上下拉能力以及外部中断功能。作通用的I/O口时，可分配成3个8位的I/O口，分别命名为P0，P1和P2。P0和P1为完全的8位数据口，而P2口只有5位可用，所有的I/O口通过特殊功能寄存器，既可以位寻址也可以字节寻址。CC2430提供的三个I/O口，分别作8位数据，地址和控制。具体分配如下：

数据总线：P0口（P0.0 P0.7）

地址总线：P1口的低5位（P1.0 P1.4）

读信号线：P2.2，通过该引脚实现对芯片内部程序和数据的读操作；

写信号线：P2.1，通过该引脚实现对芯片内部程序和数据的写操作；

中断口：P2.0为中断的申请信号线，作为RTL8019AS的中断申请信号端口。

RTL8019AS使用的是跳线的方式，它的外部接口形式已经选定为数据地址总线方式，而CC2430没有提供数据地址总线口，而只提供了普通I/O口功能，UART串行接口以及SPI的总线模式[2]。在不增加外围器件的前提下，本设计选用了口线模拟的方式，用软件的方式来模拟数据总线的读写时序，这样节约了硬件成本。网关硬件接口设计如图2所示：

图2 网关硬件接口框图

3 微带线设计

本设计中微带线设计参照的TI公司公布的2.4GHZ天线参数来完成的。CC2430采用的是2.4GHZ无线收发，天线的谐振频率为2.45GHZ，天线的面积为 ，工作带宽为100MHZ，天线的辐射效率超过90%[3]。

CC2430射频信号的无线收发采用差分方式进行传输，根据数据手册查得它的最佳差分负载是 ，具体参数阻抗匹配电路应该根据这个参数来进行调整[4]。

4 电源设计

网关设计中选取的芯片工作在两个不同的电压等级上，CC2430需要3.3V的工作电压，而RTL8019AS需要5V的工作电压，所用的电源适配器输出电压为9V，因此设计的电源要进行电压等级的变换由9V到5V和由9V到3.3V。设计选用的稳压芯片是SPX1117-5V和SPX1117-3.3V，分别完成从电源适配器9V电压到5V和3.3V的电源降压，以满足整个电路的需要。电源适配器输出电压时9V时，分别经过两块稳压芯片SPX1117-3.3(U4)和 SPX1117-5（U5），完成 9V到3.3V，9V到5V的电压转换，以满足两个芯片的工作电压需要。稳压芯片仅需要一个阻值为0.33uF的电解电容和一个普通的0.1uF的普通电容就可以实现稳压芯片的工作。电源电路设计如图3所示。

图3 电源电路设计

5 复位设计

RTL8019AS和CC2430在开始工作的时候都需要复位。CC2430有三种复位方式：低电平，上电复位和看门狗复位，本设计采用给第一种方式，给复位引脚输入低电平复位。RTL8019AS的复位要求复位引脚RSTDRV高复位，当脉冲宽度小于800ns忽略不记。手动复位电路设计如图4所示。

复位电源通过稳压芯片SPX1117—5V的输出引脚提供，当按键S1没有按下时，A点断路，三极管的集电结截止不导通，B点为高电平；当按键S1按下时，节点A处出现高电平，电阻R5，R6起到限流和分压作用，三极管基极B高电平，基极和发射极之间BE导通，由于三极管的导通特性，CE极将导通，集电极被拉低，B点出现低电平，起到复位作用。这样就会使系统的两块芯片均得到复位，满足整个系统的复位要求。

图4 复位电路设计

6 终端节点硬件设计

终端节点的作用是通过ZigBee传感器网络采集现场温度或数据，它传输数据的方式是依托ZigBee网络的数据跳变传输模式传递。终端节点的设计是利用ZigBee传感器芯片CC2430，外接温度传感器DS18B20采集数据，通过节点传输到以太网网关进行数据的汇总，数据格式的转换在以太网进行数据的传输。

终端节点的电路比较简洁，就是CC2430的基本外围电路，外扩传感器接口，编程口接口，电源供电接口。CC2430的基本外围电路已在前面的章节（4.3.1 小节）介绍过，在这里将不再赘述。需要说明的是：CC2430的P1.2引脚连接温度传感器的DQ引脚，而终端节点的供电采用的电池盒供电，两节干电池（3V）就可以满足终端节点的供电需求。

7 系统的软件设计

本设计中的网关实现数据在两个不同类型的网络之间的传输，要把传输的数据用两种协议实现各自的打包和解包，并在两个网络中进行传输。网关的程序设计包含ZigBee和以太网数据的打包和解包程序，以及相关设备的初始化和中断程序。

主程序在初始化以后就进入等待接受中断请求，判断请求后进入各自的中断服务程序中，分别处理ZigBee数据的发送请求和TCP/IP的数据的发送请求。

当ZigBee网络中的终端节点通过无线方式发送ZigBee数据包到网关时，网关产生终端请求，调用接收ZigBee数据包函数，经MCU处理后解包出ZigBee数据，再通过以太网部分，实现数据到TCP/IP的打包封装，发送到以太网芯片进行处理，把数据写到RTL8019相应的数据区，然后启动RTL8019发送TCP/IP数据包。将数据包发完以后，重新设置标志位和中断控制，返回等待中断状态。

8 结束语

本文系统的通过对ZigBee协议的研究和分析，设计了结合ZigBee网络和以太网网络的传输系统，对研究中所涉及的各项设计进行了详细的分析和说明。通过传输系统的可行性的实验性验证，该系统设计具有功能完善、性能可靠、接线简单、使用方便、控制灵活，可扩展性强等特点。该传输系统设计是具有可行性的，本文中网关和终端节点适合低速率，短距离的无线数据传输。

[1] 李文仲, 段朝玉,等. zigbee无线网络技术入门与实践[M].北京: 北京航空航天出版社, 2007.

[2] 黄敬尧, 蒋冰华, 陆启帅. 基于Windows CE.net 的串行通讯设计与实现[J]微计算机信息, 2006, 9: 40-41.

[3] 周书民, 汤彬, 孙亚民. MobileIP的无线/有线网络通信模拟分析[J]. 计算机工程, 2006, (12).