基于LPC1114处理器的远距离Zigbee网关设计

【摘要】针对工业环境的Zigbee传输需求，提出一种适合工业应用的无线远距离网关设计方案。系统以Cortex-M3微控制器LPC1114与TI无线芯片CC1120为核心组建硬件平台，特别是增加了功率无线的放大器和低噪声放大器等关键期间；在软件构架上，采用多任务调度方法实现uIP和无线Zigbee数据的交换。测试结果表明，该网关系统实现了TCP/IP数据与ZigBee数据交换，其无线远距离传输和可靠性满足工业环境中应用。

【关键词】Zigbee网关嵌入式系统参数配置

无线传感器网络[1]是由大量体积小、低成本，具有无线通信与处理能力的传感器节点组成的无线网络，各传感器节点协同感知、采集和处理观测区域内感知对象的信息，并把这些信息汇聚后传送给用户。但是，由于节点的能量有限，处理能力较差，需要利用外部网络中的资源对监测数据进行更复杂的处理；同时，也需要对无线传感器网络进行远程监控，从而得到监测区域的感知信息，所以无线传感器网络要真正发挥作用必须与其他网络互联。ZigBee技术[2]是一种基于IEEE 802.15.4标准、近距离、低功耗、高容量、高可靠性的双向无线通讯技术，是WSN组网的首选技术之一，广泛应用于工业监控、智能家居、医疗等诸多领域。本文提出的一种基于Cortex-M3的Zigbee网关，将Zigbee网络与Internet紧密融合，实现了以太网和Zigbee网络之间的数据交换。图1为ZigBee无线传感器网络系统结构。

在图中Zigbee网关在整个系统中起着枢纽的作用，负责ZigBee网络和Internet的双向数据交换通信。ZigBee网络采集的数据通过Sink节点由Zigbee网关对数据处理封装成TCP/IP数据包，再由Zigbee网关将数据通过Internet以Web形式供远程终端PC用户远程监控，远程用户可对ZigBee网络的传感器节点进行数据采集参数的设定，同时实现对采集数据进行存储和数据库数据查询，便于监测区域内数据信息的观测与分析。

一、基于Cortex-M3处理器的Zigbee网关硬件设计

硬件平台对设备性能起到非常关键的作用。本系统采用模块化设计，把系统分成Zigbee模块和嵌入式模块两大部分，对每个模块均采用高性能、高集成度的单芯片实现，使硬件电路非常的简洁而且可靠性高。

1.1基于LPC1114的主控模块设计

嵌入式模块采用NXP公司Cortex-M3系列微控制器LPC1114[3]。该芯片是专门为工业控制设计的，内部集成了32K字节的SRAM，256K字节的Flash。以太网收发器采用ENC28J60[4]，它符合IEEE 802.3协议。内置10 Mbps以太网物理层器件（PHY）及媒体访问控制器（MAC），可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据。LPC1114通过SPI接口对ENC28J60控制，实现以太网的收据收发和参数设置，系统的硬件结构如图2所示。

1.2CC1120无线模块设计

CC1120[5]是德州仪器推出的一个用于Sub-1G频带的新一代无线芯片，是ZigBee应用的真正的片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4、RF4CE和和Zigbee PRO标准。CC1120集成了高性能RF收发器强大的地址识别和数据包处理引擎，能良好的匹配RF前端。

1.3LPC1114远距离无线Zigbee网关实现

根据硬件设计原理，然后将PCB布线和加工，系统的硬件实物图如图4所示，将LPC1114布置在中间位置，CC1120射频模块和ENC28J60模块布置左部，而电源模块放置在右部，特别注意的是射频信号需要阻抗匹配。考虑到模块的重用，本系统将CC1120射频模块单独布线，做成一个单独的模块。

二、基于Zigbee和802.3协议交换软件构架

2.1TCP/IP网络软件构架

uIP[8]是一个开放源码的TCP/ IP协议栈，能够应用于8位和16位微控制器。它最初被开发由Adam Dunkels“联网嵌入式系统应用”组在瑞典计算机科学研究所开发，在 BSD风格许可证下授权下，可以进一步开发。uIP的可以在嵌入式系统中是非常有用的，因为它需要非常少量的代码和RAM。它已经被移植到多个平台，包括DSP平台。在2008年10月，思科，爱特梅尔，SICS宣布uIP的一个完全兼容的IPv6扩展，称为uIPv6。

由于uIP出色的性能，本文采用它作为网关的TCP/IP协议栈，负责与网络的数据交换，其主要的流程如图5所示。

2.2CC1120模块的软件实现

CC1120的程序流程如图6所示，包括发送程序和接收程序部分。通讯方式为半双工通讯，在发射和接收之间切换时需要等待CC1120的稳定时间。在发射模式下， LPC1114将从TCP/IP网络的数据包写入TXFIFO。

三、结论

本文针对工业的无线远距离和可靠通信要求，采用了目前性价比极高的Cortex-M3处理器LPC1114和工业级以太网ENC28J60收发器，实现TCP/IP的有线数据包接收和发送；而无线Zigbee模块采用了目前高性能的CC1120收发器，为了增加无线传输的距离和可靠性，必要性的增加了放大器和滤波器等射频前端，通过测试证明，该无线网关要比一般的其它短距离的无线网关更有优势。在工业环境中具有较高的应用价值。

参考文献

[1]夏少波，许娥.无线传感器网络WSN探究[J].通信技术，2010，43（08）：18-19.

[2]徐志，陈彬兵.自组织ZigBee网络节点通信研究[J].通信技术，2009，42（12）：128-131.

[3] NXP Semiconductors.LPC1114 Data Sheet[EB/OL].2013-5-16. http：///documents/data_sheet/LPC111X.pdf.

[4] MicroChip Semiconductors. ENC28J60 Data Sheet[EB/OL]. 2013-05-16， http：///downloads/en/devicedoc/39662b.pdf.

[5] Texas Instruments.CC1120 Data Sheet[EB/OL]. 2013-5-16. http：///lit/ds/symlink/cc1120.pdf.

[6] SkyWorks Semiconductors.SKY7138 Data Sheet[EB/OL]. 2013-5-16. http：///.

[7] RF Micro Devices.SPF5122 Data Sheet[EB/OL]. http：///CS/Documents/SPF-5122ZDS.pdf.

[8] Wikipedia. uIP Introduction [EB/OL]. 2013-5-16. http：///wiki/UIP_（micro_IP）.