运用ZigBee技术实现无线IP话机的方法

时间:2022-07-10 04:30:58

运用ZigBee技术实现无线IP话机的方法

摘要:当前无线IP电话基本上都是基于蓝牙和WIFI无线技术实现的,但有待机时间较短、功耗较大和较高的成本等缺点。Zigbee技术则具有低功耗、低成本、低速率、短时延、高容量、高安全等特点。基于以上情况,设计了通过ZigBee和网络IP电话两种通讯技术的配合来实现无线IP话机,具体来说通过基于带ZigBee无线语音收发功能的网关和ZigBee无线收发器来实现基于ZigBee无线技术的IP话机功能的。

关键词:zigbee;无线IP话机

中图分类号:S951.2文献标识码:A文章编号:1009-3044(2011)24-5868-02

Application of Zigbee Technology in Wireless IP Phone

WANG Wei, ZHU Xiang-xian

(Department of Information & Communication Engineering, Huai'an College of Information Technology, Huai'an 223003, China)

Abstract: Basically, the current wireless IP phones are based on Bluetooth and WIFI wireless technology, with shortcomings of the short standby time, high power consumption and costs. Zigbee technology have some advantages,such as low power, low cost, low rate, short delay, high capacity and high security. Given the above, the design of the wireless IP phone set through the ZigBee and IP phone technology. The set include a gataway with the function of ZigBee-based wireless voice transceiver and a ZigBee wireless transceiver.

Key words: zigbee; wireless IP phone

随着无线通讯技术的不断发展,各种无线技术层出不穷,比如GSM、WIFI、蓝牙等都得到了广泛的运用,几乎每种无线技术的诞生和发展都是为了满足某些实际的运用,ZigBee无线技术也是如此。ZigBee技术具有低功耗、低成本、低速率、短时延、高容量、高安全和工作在免执照频段的特点。ZigBee无线节点的功耗很低,在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月,甚至更长时间,这是Zigbee的突出优势,而蓝牙的数周和WiFi的数小时续航能力就差了很多。ZigBee还有低成本的特点,它的协议不到蓝牙的十分之一,这大大降低了对通讯处理器的要求和内存的开销。Zigbee工作在20~250kbps的较低速率,分别提供250kbps(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率,满足低速率传输数据的需求,这点上方便了语音业务的扩展。另外ZigBee工作的频段是免执照的,它采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段、2.4GHz(全球)、915MHz(美国)和868MHz(欧洲)。

当前无线IP电话基本上都是基于蓝牙和WIFI无线技术实现的,但是不足之处也是明显的。首先,就移动电话机而言,具备较长的待机时间是必需的,这点上ZigBee是两者的几十甚至上百倍,优势十分明显。再者,由于协议的简化使得ZigBee价格低廉,更适宜用作家庭IP无线电话的方案。最后,WLAN和蓝牙都是工作在2.4GHz频段,多个节点同时工作会有干扰,从而降低传输速率;而ZigBee可以通过改变工作频段消除此类干扰。

基于ZigBee和网络IP技术构建的无线IP话机不仅具有超长的待机,而且能够提供廉价的、可靠的无线语音服务。

1 zigbee技术简介

zigbee是介于RFID和蓝牙之间的无线技术提案,是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要用于低成本、低功耗、低速率无线通信。zigbee协议是在IEEE 802.15.4标准的PHY层和MAC层基础上增加NWK层和API层组成的,网络中的所有设备都拥有一个64位的IEEE地址,在多个微小的末端设备之间相互协调实现通信。这些末端设备只需要很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个节点发送到另一个节点,藉此达到大的测控范围和高的通信效率。相对于现有的各种有线和无线通信技术,zigbee是最低功耗和最低成本的技术。同时由于zigbee技术的低数据速率和接力通信的特点,也决定了它适合于承载数据流量较小的业务。目前,zigbee技术的主要应用领域包括工业自动化、智能楼宇、消费、家电自动化、医用设备控制和农业应用等。

2 基于zigbee和网络IP电话的无线IP电话系统

2.1 zigbee在网络IP电话中的应用

如图1所示,所述zigbee无线网络IP话机系统主要是通过具有ZigBee无线语音收发功能的网关和ZigBee无线收发器来实现。具体来说,图中IP语音服务器上行连接Internet,完成IP语音包的上行路由和下行传输功能,此服务器可以是二层或者三层交换机。Zigbee无线语音收发功能网关在功能上分为两个部分,其中一个部分是有线部分,通过电缆或光纤连接语音服务器,作为局域以太网来收发IP语音包;另外一个部分是无线部分,采用Zigbee无线模块和Zigbee无线IP话机进行Zigbee格式的纯语音通讯。Zigbee无线IP话机在功能上也分为两部分,一部分是Zigbee无线部分,作用是和Zigbee无线网关进行语音双向通讯;另一部分是和人之间的语音交互部分。

Zigbee无线IP话机在实际运用中,一方面接收来自Zigbee网关的无线语音信号,把其中语音部分剥离出来并先后通过解码、D/A转换和听筒转换成模拟语音;另一方面,话机接收来自通话者的模拟语音,先后通过A/D转换、编码和打包转换成符合Zigbee协议的数据包,通过Zigbee无线上传到网关。

2.2 zigbee无线网络IP话机工作原理

Zigbee无线网络IP话机系统采用了Zigbee通信系统中的点到点传输技术,在硬件上可分为两大块,即带ZigBee无线语音收发功能的网关(以下简称网关)和ZigBee无线收发器。

具体的过程描述如下:

网关通过下行网络把Internet上的语音数据包接收到本地,然后把IP格式的语音数据包进行分解,取出其中的语音Data字段并加上ZigBee协议(IEEE802.15.4)的报头和报尾,最后通过ZigBee无线模块发射出去,其中新的报文格式如表1所示。网关在这里是上行ZigBee节点,也是主节点。

ZigBee无线收发器,即ZigBee无线IP话机,首先找到网关并申请入网,网关随后向ZigBee无线IP话机发送网络参数,收到参数的ZigBee无线IP话机保存参数并加入网络,至此无线语音通讯链路便建立起来了。接收到语音数据包后,ZigBee无线IP话机进行相应的格式、D/A转换后把模拟语音信号分离出来并通过扬声器广播出去,这样就实现了基于ZigBee无线技术和IP技术的无线IP电话机功能。

整个工作的过程概括成如下两步。

第一步,ZigBee网关上电初始化,等待ZigBee无线IP话机入网。ZigBee无线IP话机上电自检,通过无线寻找ZigBee网关并向之发送加入网络的请求,准备加入ZigBee网络。网关验证许可后向ZigBee无线IP话机发送网络参数,给其分配IP地址。

第二步,带ZigBee无线语音收发功能的网关接收来自Internet的语音数据包并进行分解、打包,组成适合ZigBee协议格式的数据包等待发送。发送之前确认ZigBee无线IP话机已经和此网关关联上后,网关把转换好的ZigBee协议格式的数据包发送到ZigBee无线IP话机上,后者再进行格式转换、D/A转换后输出模拟语音。

2.3 Zigbee无线IP话机硬件设计

Zigbee无线IP话机包括ARM处理器、zigbee通信模块和语音处理模块三大部分构成。ARM处理器采用Conexant公司推出了新一代的Solos芯片CX94615,该芯片有带2路VoIP,适合语音设备的开发,CX94615提供的接口中包括1个264M的ARM10处理器、1个SPI总线和1个PCM接口,其中的PCM接口用于对接语音处理芯片;SPI接口对接Zigbee通信芯片。Zigbee通信模块主要由TI/Chipcon的CC2430单片zigbee无线收发电路和各传感器电路构成。其中CC2430是在CC2420的基础上增加8051微控制器、A/D、DMA、AES协处理器、USART、RAM、Flash等电路组成的,它是完整的zigbee片上系统,只需外接简单的射频匹配电路和天线即可实现一个zigbee的FFD或RFD节点。在Zigbee无线IP话机系统中,CC2430通过SPI接口和CX94615对接。语音处理模块主要由Silicon公司的si3215芯片和话机模拟电路构成,其中si3215主要完成CODEC、A/D、D/A和BORSCHT的功能,对接模拟电路后连接喇叭和MIC,以此完成话机的功能。

如图2所示,Zigbee无线IP话机以CX94615为核心,通过片内存储控制器外扩4MB的NAND Flash和16MB SDRAM构成存储子系统,通过片内的GPIO构成14个按键构成电话按键;通过片内PCM接口和si3215对接,完成语音处理功能;通过片内SPI接口外扩zigbee模块。

Zigbee网关的硬件也同样由CX94615和CC2430组成,这里不再详述。

2.4 Zigbee无线IP话机软件设计

本系统的软件以Linux和TI公司免费使用的Z-stack为基础进行开发,其中CPU芯片CX94615以运行Linux操作系统,软件实现的顺序大致过程为:系统上电,Zigbee无线IP话机和网关各自进行Linux初始化,即进行小系统配置、端口配置和设备驱动加载,此时网关已经连接到Internet,可以收发VOIP语音包;由于点对点通讯的特点,话机上电完成后会不经路由而直接向网关进行Zigbee网络注册,注册过程完成后即可通过Zigbee无线和IP进行语音通讯。

3 结论

本系统运用了Zigbee无线技术和IP网络技术,摒弃了WIFI和蓝牙无线话机的诸多缺点,利用成熟的ZigBee和IP网络电话技术实现无线IP话机,具有待机时间长、价格优势明显、使用可靠性高等特点,是目前实现无线IP话机的优良方案。

参考文献:

[1] Texas Instruments. CC2430 A True System-on-Chip solution for 2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee[EB/OL]. .cn/cn/lit/ds/symlink/cc2430.pdf,2009,9.

[2] Texas Instruments.Z-Stack-ZigBee协议栈[EB/OL].

[3] Conexant High Speed ADSL2plus Chipset with Integrated Wireless LAN and Voice.

[4] 洛夫(美).Linux系统编程[M].南京:东南大学出版社,2009.

注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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