基于系统芯片SOC的NOC通信组网技术应用研究

王 娜 尹向东 杨振南 张 彬

基于系统芯片SOC的NOC通信组网技术应用研究

王 娜1尹向东2杨振南2张 彬2

（1.湖南科技学院 传媒学院；2.湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

新一代SOC能在单芯片上集成完整的电子系统，NOC是全新的片上网络结构集成电路，其分布式的设计特点在农业物联网领域取得了很好的应用，本文使用CC2530芯片作为Zigbee通信模块建立无线传感器网络，有效的提高了分时通信效率，降低了分布式网络节点全局同步时的能量消耗。

农业物联网；系统芯片；片上网络芯片；Zigbee

系统芯片（System-on-Chip，SoC）包含有嵌入式的处理器，能在单个芯片上集成一个完整的电子系统，一般包括中央处理器(CPU)、存储器、总线及外围电路等[1]。片上网络芯片(Network-on-Chip，NoC)是研究人员借鉴计算机网络的思想，将计算机网络技术移植到芯片设计中，提出全新的集成电路网络结构，很好的解决了系统扩展时产生的地址空间的问题，可以有效提高分时通信效率，同时能够降低分布式网络中多节点同步时的能量消耗功耗和面积问题。

由于 NoC 具有良好的扩展性、可以预测的延迟、较高的带宽、可重用性等优点，因此，NoC 被认为是一种有前景的片上互连解决方案[1]。CC2530芯片是2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee应用的一个NOC解决方案，它的显著优点就是用很低的功耗来建立一个分布式网络，本文使用CC2530芯片在农业物联网领域进行应用研究，获得了很好的效果。

1 基于NOC的Zigbee网络

1.1 硬件开发平台

本文的Zigbee模块采用自主研发的基于CC2530芯片的Zigbee通信模块，Zigbee无线通信是用来组建无线局域网的，以实现传感器、执行器和ARM网关之间的实时通信。与其他无线通信方式如WIFI、蓝牙相比，Zigbee无线通信具有网络节点数多、规模大、功耗低、性价比高等特点，CC2530最小系统电路图实物图[1]如图1所示：

图1 CC2530最小系统电路图

本文的协调器节点通过串口与ARM网关连接，用来接收终端结点发送的数据。终端节点与传感器或者执行器相连接，与传感器相连的Zigbee模块，把采集的数据发送给ARM网关，ARM网关再把数据上传到服务器。与执行器相连的Zigbee模块，用来接收ARM网关发送的命令，再通过继电器来实现对执行器的控制，安装了路由器的终端节点将数据转发给其他节点，从而扩展到网络整个拓扑结构[2]。

本文的Zigbee网络节点的上电必须要严格按照先后顺序。首先是先上电协调器节点，然后再上电路由器结点，最后上电终端结点。协调器上电并创建好网络后，会同时点亮黄灯和蓝灯，如果有接收到数据会黄灯和蓝灯同时闪烁；路由器上电并加入到网络后会点亮蓝灯；终端结点上电并加入网络后会点亮黄灯，如果发送数据会黄灯闪烁，如果接收到数据会蓝灯闪烁。

1.2 Zigbee节点间通信协议

在Zigbee网络中，每个Zigbee节点之间发送的数据都是以数据帧为单位。每个数据帧固定长度为21个字节，本协议参照了PPP点对点协议，有效的避免了数据内容与包头(0x7E)相同的冲突，也防止了个别数据帧的数据丢失和失真，对后序数据帧的产生影响。其中的命令类型号、Zigbee设备号、数据类型号采用枚举类型定义，可以更加有效方便的使用和更改。

2 Zigbee网络通信组网技术应用

2.1 Zigbee网络的传感器的数据采集

本文要实现对环境中的温度、湿度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度等数据进行精确采集，所对应的传感器分别为GY39模块、485型CO2检测模块、土壤湿度检测模块。

1)GY39模块

GY-39具有成本低、功耗小，安装方便等特点，是一种广泛用于测量气压、温度、湿度、光强度传感器的模块。GY-39模块集成了MCU（微控制单元），将各种传感器数据统一收集和处理，然后输出结果。GY-39模块的适用性很高，可以与单片机及电脑直接连接，针对不同的工作环境，可以选用两种方式读取数据，即串口UART和 IIC（2线），模块还可以作为简单传感器模块来单独工作，不使用MCU处理数据[3]。

2)485型CO2检测模块

农业大棚中需要进行CO2监测，我们选用了485型CO2检测模块，该模块中输入电源、感应探头及信号输出等部分是完全分开的，互不干扰，因此气体探头的检测灵敏度很高[4]。

3)土壤湿度传感器模块

本文用的土壤湿度传感器是一款比较常用的土壤湿度传感器，工作的原理是使用电位器调节来控制相应阈值，但检测的湿度比设定值低的时候，D0端口输出高电平，当检测的湿度比设定值高的时候，D0端口则会输出低电平，从而达到较宽范围内控制土壤湿度的要求。

该模块比较器采用LM393芯片，工作电压为3.3～5 V，A0输出模拟量，可与单片机连接，进行AD转换。模块在空气中的模拟量输出大概在2700左右，且供电要选择2端口，不能选择1端口，否则可能导致输出的模拟量不稳定。

2.2 Zigbee网络控制与终端节点安装

1)Zigbee网络控制

本文所需要控制的执行器有补光灯、加湿器、遮阳帘。解决方案是通过固态继电器来实现弱电控制强电,充当一个开关的功能。

2)Zigbee终端节点连线安装

本文的Zigbee局域网络结构复杂，其中终端节点既要连接传感器又要连接执行器，还要用电池盒供电。我们在安装时必须要仔细认真的进行连线安装，其中串行通信接口用于连接GY39模块和CO2浓度检测模块；ADC输入端口用于连接土壤湿度传感器；继电器1输出端口用于补光灯、加湿器、排风扇、遮阳帘电机正转的控制；继电器2输出端口用于遮阳帘电机的反转控制。

3　结束语

本系统在蔬菜大棚进行了现场测试。为了能够在测试时把Zigbee模块顺利安装在大棚内不同位置的土壤中，把Zigbee检测电路安装在一个封闭的塑料壳内，在壳外安装电源开关，留出天线安装孔。然后把塑料壳固定在不锈钢管上，土壤湿度传感探头通过电缆引导不锈钢管的端头。安装时，把不锈钢插入土中固定，再把湿度探头埋入需要检测的土壤中。

经过测试证明，4G信号接入正常，Zigbee网络通信各项数据测量正常，系统运行良好。

[1]周小锋.片上网络高效路由关键技术研究[D].西安电子科技大学,2020.

[2]韩涛,陈闯,李石荣.基于无线传感器网络的智能温度监控系统设计[J].电子世界,2017(1):180-183.

[3]黄悦华,史振利,胡智莹,李腾,魏业文.基于LabVIEW的交通信号灯工作状态智能监测系统研究[J].现代电子技术, 2020,43(16):34-38.

[4]周兵,赵景辉,宋艳丽.基于Labview的大棚温室环境因子测试与控制系统[J].农业网络信息,2017,243(1):77-84.

TP319

A

1673-2219（2021）03-0058-02

2020-01-26

永州市2019年指导性科技计划项目（项目编号2019-yzkj-10）；2020年度湖南科技学院科学研究项目（项目编号20XKY057）；湖南省2019年大学生创新创业大学生能力培养项目（湘科人〔2019〕9号）；2017年湖南省科技厅重点研发项目（项目编号2017NK2391）。

王娜（1988－），女，吉林辽源人，助理实验师，研究方向为物联网及云计算。

（责任编校：文春生）