基于ARM9處理器的ZigBee工業以太網網關設計

　　引言

　　目前多標準多協議共存的場合應用增多，而充當協議轉換橋梁作用的網關起到了關鍵作用當前比較流行的兩個本地無線技術無疑是Wi-Fi 和藍牙，但是，對于低功耗、低帶寬的控制類應用，諸如工廠內的傳感器網絡，ZigBee 或許是個更好的選擇。配備一個功能強大的處理器后，ZigBee 可以在低功耗、低帶寬的限制下高效完成很多復雜的應用。

　　ZigBee 因其低成本、低功耗、組網靈活等眾多優勢，成為工業無線通信技術中備受關注的技術之一。ZigBee 是一種低速網絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，多樣的互聯方式使得組網方式靈活而穩健。

　　文章介紹一種基于AT91SAM9260 的ZigBee 工業以太網網關設計，實現ZigBee 與工業以太網的一種透明接入，上層采用ZigBee 協議，應用于工業現場短距離的無線控制、監測、數據傳輸等的以太網協議轉換，并內嵌嵌入式WebServer 實現現場儀表的遠程監控、遠程數據交互系統應用框圖如圖1 所示用戶可通過ZigBee 以太網網關內嵌得WebServer 直接訪問或修改儀表數據，實現現場儀表的遠程監控、遠程診斷等當網關接入GPRS 或因特網后，無論你身處何地都可隨時訪問工業現場儀表數據，實現現場儀表的遠程組態、遠程診斷以及遠程操作等功能，使世界范圍內的不同傳感監測網絡可以信息共享。

　　圖1 ZigBee 以太網網關應用示意圖

　　1 硬件設計

　　網關硬件如圖2，系統以AT91SAM9260 為核心，AT91SAM9260 為ATMEL 公司高性能ARM9 處理器，主頻可達200M，帶有以太網MAC，擴展了以太網PHY 模塊、 ZigBee 無線通信模塊、Nand FLASH和SDRAM。圖中K9F2G08 為256M的Nand FLASH，HY57V64162為64M SDRAM，與AT91SAM9260 的地址線、數據線、片選線、讀寫線直接無譯碼相連接。

　　DM9161 為以太網PHY 芯片，10M/100M 兼容，實現以太網物理層CC2520 是TI 公司的第二代的ZigBee/ IEEE 802.15.4 RF 收發器，具有當今業界最佳的選擇性/共存性及優異的鏈路預算功能特點，目標滿足各種應用中ZigBee/IEEE 802.15.4 同專有無線系統的要求，而且提供了廣泛的硬件支持，包括數據包處理、數據緩沖、突發傳輸、數據加密、數據認證、空閑通道評估、鏈接質量指示以及數據包計時信息等，與AT91SAM9260之間通過SPI 進行數據通訊與控制。

　　圖2 網關硬件框圖

　　2 軟件設計

　　網關軟件采用內嵌Linux-2.6.28 內核，在上層應用添加ZigBee 服務，實現ZigBee 與以太網協議的轉換。以太網數據報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發給CC2520，封裝為 ZigBee 報文發送現場數據的ZigBee 報文由CC2520轉為串口數據接收，去掉ZigBee 短地址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網口轉發。軟件設計架構如圖3 所示。

　　圖3 網關軟件設計架構

　　軟件執行流程圖如圖4 所示，底層的硬件初始化包括時鐘的設置、GPIO 的管理、串口的配置、以太網接口MII 的配置以及PHY 芯片的設置等，然后CC2520 的初始化配置無線通信模塊符合ZigBee 協議標準，CC2520 初始化設置后，模塊即可以實現透明串口傳輸，與ARM 處理器進行數據交互。為適應短幀實時和確定性通信發展趨勢，以太網通信采用UDP/IP 協議啟動linux 內核多任務調度管理，進行串口數據的收發、UDP 的接收與發送以及嵌入式WebServer 等任務。

　　圖4 軟件執行流程

　　3 ZigBee與以太網協議轉換軟件設計

　　TCP/IP 協議使用MAC 地址進行硬件地址的識別并使用ARP 協議進行硬件地址到IP 地址的解析因此必須完成ZigBee 到ARP 地址的轉換，才能保證正常通訊ZigBee 中每個節點都有自己的MAC 地址，格式由64 位長地址和16 位短地址組成文章設計實現了ZigBee協議中適配層和ARP，完成ZigBee 中MAC 地址到以太網IP 地址的映射工作流程圖如圖5 所示當網關接收到一個正常發往本地IP 的以太網數據包后，經過協議判斷送往上層UDP(TCP)處理，最后到網關的應用程序處理網關應用程序經過分析判斷，確定需要轉發給ZigBee 網絡中的哪個節點，經過ZigBee 端的ARP 地址解析出對應的ZigBee 中的節點MAC地址，將相應的數據包送至該節點，完成一次數據通訊。

　　同理，當ZigBee 端收到數據包后，通過同樣的解析將數據包送至對應節點或設備通過內嵌的WebServer 用戶可實現ZigBee 節點的實時訪問、修改、組態等。

　　圖5 網關協議工作框圖

　　4 結束語

　　在網關中內嵌WebServer，可通過以太網隨時訪問或修改現場儀表的數據，實現遠程控制，遠程診斷等該產品有效的解決了工業現場短距離ZigBee 無線通訊連接以太網的問題，以全新的方式向物聯網靠攏。