基于ZiqBee技术的近距无线物联通信系统

李晨来

摘要：文章介绍了一种具有通用性的近距无线物联通信系统。该系统基于IEEE802.15.4物理层和媒体控制层的数字通信技术ZigBee，是一个超低功耗、低传输速率的近距无线物联通信平台。硬件部分主要由无线-UART、无线-USB、无线-Ethernet、无线-GPRS/GSM、无线-CDMA等模块组成。软件部分采用嵌入式设计，具有网络容量大、低成本、低功耗、自组织、自愈合、数据安全等功能。整个系统平台实现了多种有线和无线通信技术的有机结合，应用领域非常广泛。

关键词：IEEE802.15.4；ZigBee；无线通信：接口单元

目前，物联网技术发展迅速，可靠的近距无线通信技术为物联网的搭建提供支撑。在很多应用中需要无线子网内的设备与数据存储处理代理服务器进行交互。此时，不仅需要UART串口、USB接口、以太网接口等传统传输方式，无线通信技术更变得不可或缺[1]。本文描述了一种基于IEEE802.15.4的无线网络和ZigBee技术的近距无线通信系统，将USB口，以太网，UART串口，GPRS/GSM，CDMA以及模拟量传感器等多种功能有机的组织在一起。工作可靠，效率高，功能较为全面，扩展也很方便，克服了目前很多同类产品的不足[2]。系统总体示意如图1所示。

1 工作原理和性能特点

1.1硬件部分

1.1.1无线USB模块

本模块由USB接口单元、DC/DC电源、CPU和RF天线单元组成（见图2）。CPU芯片选用Ⅱ公司的CC2530。CC2530是TI公司推出的新一代ZigBee标准芯片，适用于2.4 GHz，IEEE802.15.4，ZigBee。它包含高性能RF收发器，工业标准增强型8051MCU，可编程的闪存，8 kB RAM等。USB接口单元采用FTDI公司的芯片FT232R，实现USB接口到串行接口的转换，USB接口端可以连接个人电脑等终端设备，也可提供+5 v电源，另外一侧连接CPU； DC/DC电源部分使用LDO芯片LM1086； RF天线单元采用RF前端采用TI公司的集成度很高的射频前端芯片CC2591。通过CC2530 CPU芯片的控制，本模块实现了USB接口单元与近距无线射频单元的双向通信。

1.1.2无线以太网模块

本模块由以太网接口单元、DC/DC电源、RF天线单元和主控CPU组成（见图3）。其中DC/DC电源接收外部+5～+12V直流电压、输出本模块需要的电源电压；以太网接口单元采用韩国WIZnet公司的W5500以太网接口芯片，W5500芯片与CPU通过串口接口通信，最高支持80 MHz；其他组成部分与无线USB模块中的对应部分相同。本模块实现了互联网到近距无线射频单元的双向通信，也是系统连接外网的核心。

1.1.3无线串口模块

本模块由UART接口单元、DC/DC电源、RF天线单元、A/D接口单元和主控CPU组成（见图4）。本模块可实时采集物联网应用中的来自传感器的信号。其中UA RT串口采用TI公司的TXB0102作为电平转换接口：A/D接口单元可连接传感器到CPU的片上模数转换器；其他组成部分与前述模块的对应部分相同。本模块实现了UART串口与近距无线射频单元的双向通信。

1.1.4无线GPRS/GSM模块

本模块由GPRS/GSM单元、DC/DC电源、A/D接口单元、RF天线单元和主控CPU组成（见图5）。本模块可实时采集物联网应用中的来自传感器的信号。其中GPRS/GSM单元采用西门子的MC55子模块，通过串口与主控CPU连接，其他组成部分与前几种模块的对应部分相同。本模块实现了GPRS/GSM与近距无线射频单元的双向通信。

1.1.5无线CDMA模块

本模块由CDMA接口单元、DC/DC电源、A/D接口单元、RF天线单元和主控CPU组成（见图61。本模块可实时采集物联网应用中的来自传感器的信号。其中CDMA接口单元采用Anydata的DTGS-800；其他组成部分与前几种模块的对应部分相同。本模块实现了CDMA接口单元与近距无线射频单元的双向通信。

1.1.6无线4G模块

本模块由4G接口单元、DC/DC电源、A/D接口单元、RF天线单元和主控CPU组成（见图7）。本模块可实时采集物联网应用中的来自传感器的信号。其中4G接口单元采用中兴通信的EM3760，支持4G TD-LTE/LTE FDD/TD-SCDMA网络：其他组成部分与前几种模块的对应部分相同。本模块实现了4G接口单元与近距无线射频单元的双向通信。

1.2软件部分

本系统的软件部分是按照ZigBee协议栈的架构进行开发。ZigBee协议栈由ZigBee联盟基于IEEE802.15.4标准开发。ZigBee联盟是一个由285家公司联合成立的联合体。IEEE802.15.4定义了物理层（Physical Layer，PHY）和媒体访问控制（Media Access Control，MAC）层，ZigBee联盟在此基础上定义了网络（ Network，NWK）層和应用层（Application Layer， APL），构成ZigBee协议栈。

本系统的软件部分构建在TI CC2530芯片及ZigBee2007协议栈的基础上，符合ZigBee协议栈的架构，具有网络容量大、低成本、低功耗、自组织、自愈合、数据安全等特点。主控芯片CC2530是一款真正的片上系统（System-on-a-Chip，SOC），搭配的Z-Stack协议栈对软件的开发提供了支撑。系统中的每个设备都可作为一个节点，每个子网最多包含65 500个节点。

节点分为两类：协调器（Cordinator）和终端节点（EndDevice）。协调器相当于网关，是整个ZigBee网络的核心，所有数据最终都返回协调器；终端节点又分为路由节点和普通终端节点，路由节点可以当普通终端节点来使用，还可以连接到其他的路由节点和普通终端节点，而普通终端节点是整个网络的最后一个点，不能连接到其他节点，只能直接返回数据给协调器。在这里，我们选择无线——以太网模块作为协调器，其他模块作为普通节点，通过开发灵活而可靠的应用层协议，实现上述功能。所有网络节点都按照ZigBee协议栈的架构进行通信和数据解析，共同完成网络智能化组织和建立、信息收发及路由、自愈合、数据安全等功能。应用程序接口（Application Program皿ing Interface，API）为UARI串口、USB接口、以太网接口、GPRS/GSM通信、CDMA通信、4G通信、A/D转换等提供服务。

协调器和普通节点的主程序框分别如图8和图9所示。

1.2.1网络智能化组织、建立与维护

这部分功能主要通过ZigBee协议栈中的网络层实现。由MAC层的调用行动来处理网络地址和路由。它的任务包括启动网络（协调器）、分配网络地址、添加和刪除网络设备、路由信息、请求安全和执行路由发现。

1.2.2数据安全

系统安全性能直接决定了系统的应用价值。本系统的网络安全主要通过ZigBee协议栈中的MAC层、NWK层和APL来实现。

基于IEEE802.15.4 PHY和MAC层，我们自定义应用层数据传输格式，并采取加密措施，提高网络的安全性。通过设计MAC层和NWK层的安全帧结构，安全帧结构中定义保护密钥字段，并配合芯片自带的CRC校验功能。同时所有的数据均采用AES-128加密算法、数据完整性检查。

1.2.3低功耗系统实现

从硬件和软件设计着手，低功耗系统实现方式。首先主控CPU CC2530是一个低功耗的片上系统，支持4种功耗模式，易于软件动态调节功耗模式。同时软件设计专门针对降低能耗进行了优化，采用了分时多址休眠策略：当普通节点发送数据时处于完全工作模式（PMo）：定时发送时段结束进入休眠状态（PM1或PM2）；当消息队列清空后，经过设定的延时，该节点进入深度休眠状态（PM3），由协调器节点通过硬件中断唤醒，回到完全工作模式。

2 结语

本文分别介绍了本系统的硬件和软件部分。这种近距无线通信平台可广泛应用于工业控制、楼宇自动化、智能家居、能源管理、PC外设、健康看护等众多物联网应用领域。

[参考文献]

[1]Eeworld.CC253x System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee～Applications[EB/OL].（2013-12-05） [2018-01-03].http：//download.e eworld.com.cn/download/Sur/2 83 492

[2]黄玉立，童玲，田雨.基于CC2531+CC291的WSN节电通信模块设计[J]单片机与嵌入式系统应用，2011 （1）：71-73.