ZigBee與μIP的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱盛方，王天雷，王大承

（五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江門529020）

引 言

嵌入式系統(tǒng)因具有低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)而日益普及，隨著網(wǎng)絡(luò)對(duì)人們的生活越來(lái)越重要，網(wǎng)絡(luò)通信功能也成為嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)多采用8位或16位主控芯片，通過(guò)485總線、紅外線等方式進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。這樣的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)存在反應(yīng)速度慢、數(shù)據(jù)傳輸速率低、布線復(fù)雜、易受干擾等缺點(diǎn)。本系統(tǒng)采用32位的STM32F103C6 作為主控芯片，現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用ENC28J60以太網(wǎng)控制器實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信。該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、樓宇等需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的場(chǎng)所，具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、多用戶、監(jiān)控方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的功能，可以把整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分為3部分：數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)處理與控制部分、遠(yuǎn)程監(jiān)控部分。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集部分采用CC2530芯片與ZStack協(xié)議棧組建的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)路由器把數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器與主控芯片STM32F103C6通過(guò)RS-232串口通信。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)處理與控制部分（嵌入式服務(wù)器）是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)接收Z(yǔ)igBee網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)，接收遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)發(fā)送的命令并執(zhí)行相應(yīng)的控制功能。嵌入式服務(wù)器由STM32F103C6芯片與ENC28J60以太網(wǎng)控制芯片組成，采用μIP協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)可靠的端到端服務(wù)［1］。

遠(yuǎn)程監(jiān)控部分由PC 機(jī)與應(yīng)用軟件組成。應(yīng)用軟件為Visual Studio 2010開(kāi)發(fā)的監(jiān)控軟件，可供用戶實(shí)時(shí)地查看監(jiān)控對(duì)象的參數(shù)，并控制遠(yuǎn)程設(shè)備。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集部分

該部分采用TI公司的CC2530 芯片。CC2530 通過(guò)I／O 口與數(shù)據(jù)采集芯片相連，把采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳到數(shù)據(jù)處理與控制部分。

CC2530除具有代碼預(yù)取功能的低功耗8051微控制器內(nèi)核外，還具有8KB 內(nèi)存、最高128KB 閃存、5 通道DMA、一個(gè)16位定時(shí)器和一個(gè)8位定時(shí)器、8路輸入和可配置分辨率的12位ADC、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART，21 個(gè)通用I／O 口，適應(yīng)2.4 GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF 收發(fā)器。其具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，只需要一個(gè)晶振和極少的外接元件即可正常運(yùn)行［2］。CC2530與外圍器件的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 CC2530與外圍器件的連接

2.2 數(shù)據(jù)處理與控制部分

圖3 數(shù)據(jù)處理與控制部分電路連接原理

該部分是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要由STM32F103C6芯片與ENC28J60芯片組成。數(shù)據(jù)處理與控制部分的連接原理如圖3所示。STM32F103C6 接收CC2530采集的數(shù)據(jù)，并在μIP協(xié)議棧的基礎(chǔ)上把數(shù)據(jù)封裝成符合以太網(wǎng)格式的數(shù)據(jù)包發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)。同時(shí)，控制ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、接收遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)的命令，對(duì)電動(dòng)機(jī)、電燈、風(fēng)扇、空調(diào)、總開(kāi)關(guān)等設(shè)備進(jìn)行控制［3］。

STM32F103C6采用ARM Cortex-M3（32位RISC）內(nèi)核，最高運(yùn)行頻率可達(dá)72 MHz。具有豐富的片上資源：32KB的Flash、10KB的SRAM、2個(gè)通用定時(shí)器和1個(gè)高級(jí)定時(shí)器、1 個(gè)SPI接口、1 個(gè)I2C 總線接口、2 個(gè)USART接口、1個(gè)USB接口、1個(gè)CAN 總線接口、2個(gè)12位同步ADC模塊［4］。

ENC28J60集成了10BASE-T PHY 和MAC，帶接收器和沖突抑制電路，是兼容IEEE 802.3的以太網(wǎng)控制器。支持一個(gè)帶自動(dòng)極性檢測(cè)和校正的10BASE-T 端口，支持全雙工和半雙工模式，具有可編程在發(fā)生沖突時(shí)自動(dòng)重發(fā)、可編程填充和CRC生成、可編程自動(dòng)拒絕錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包的特性，并帶一個(gè)最高速度可達(dá)10 Mbps的SPI接口。具備8KB 發(fā)送／接收數(shù)據(jù)包雙端口SRAM，支持單播、組播和廣播數(shù)據(jù)包，可以自動(dòng)收發(fā)、過(guò)濾數(shù)據(jù)包［5］。ENC28J60通過(guò)SPI 接口與STM32F103C6 連接，接收STM32F103C6的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成符合IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。

HR911105A 是單口RJ45 插座，符合IEEE802.3、IEEE802.3ab標(biāo)準(zhǔn)，自適應(yīng)10／100／1000M 以太網(wǎng)，內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，具有強(qiáng)大的電磁干擾抑制功能。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控部分

該部分由PC 機(jī)組成，PC 機(jī)數(shù)量可以根據(jù)用戶的數(shù)量確定，可以分布于不同的地理位置，通過(guò)網(wǎng)線與嵌入式服務(wù)器連接，獲取嵌入式服務(wù)器的數(shù)據(jù)并發(fā)送用戶的控制命令給嵌入式服務(wù)器。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式服務(wù)器軟件總體設(shè)計(jì)

嵌入式服務(wù)器程序是本系統(tǒng)中最重要的功能實(shí)現(xiàn)模塊。主要實(shí)現(xiàn)3部分功能：接收Z(yǔ)igBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)采集控制命令，建立客戶機(jī)—服務(wù)器（C／S）模式的網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制以及控制外圍器件。

在本系統(tǒng)中，由STM32F103C6組成的嵌入式服務(wù)器即為C／S模式中的服務(wù)器，監(jiān)控PC為客戶機(jī)。嵌入式服務(wù)器軟件系統(tǒng)是由μC／OS嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、μIP 協(xié)議棧、應(yīng)用程序組成的。嵌入式服務(wù)器上電后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，等待ZigBee網(wǎng)絡(luò)就緒，接收監(jiān)控PC發(fā)送的命令，根據(jù)命令采集數(shù)據(jù)或控制外圍器件。嵌入式服務(wù)器軟件的流程如圖4所示。

圖4 嵌入式服務(wù)器軟件流程圖

3.2 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee協(xié)議是基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）基本參考模型，ISO／OSI模型有7層，而Zig-Bee僅實(shí)現(xiàn)了低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)必需的部分：物理層（PHY）、介質(zhì)訪問(wèn)控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）［6］。最低的兩層：物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層，由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義。網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層和ZigBee設(shè)備對(duì)象。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)包含3種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（ZC）、路由器（ZR）、終端設(shè)備（ZE）。ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)和控制網(wǎng)絡(luò)，存儲(chǔ)關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的信息；路由器負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)包，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，提供備份路由以防網(wǎng)絡(luò)擁擠和設(shè)備通信失敗，支持子設(shè)備。終端設(shè)備可以發(fā)送或接收信息，但不能執(zhí)行路由操作，必須被聯(lián)系到協(xié)調(diào)器或者一個(gè)路由器，并且終端設(shè)備不支持子設(shè)備［7］。在本系統(tǒng)中終端設(shè)備負(fù)責(zé)采集溫度、濕度、煙霧、光照等數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器通過(guò)RS-232接口與嵌入式服務(wù)器連接，把采集到的數(shù)據(jù)傳送到嵌入式服務(wù)器。

本系統(tǒng)采用TI公司符合ZigBee2007 協(xié)議棧標(biāo)準(zhǔn)的Z-Stack 協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)上電后，各結(jié)點(diǎn)首先實(shí)行硬件初始化，然后初始化ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完成并且運(yùn)行正常后，終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)路由器結(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器。Zig-Bee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作順序如圖6所示。

圖6 ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的工作順序

3.3 μIP協(xié)議棧

μIP協(xié)議棧是由瑞典計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Adam Dunkels開(kāi)發(fā)，并在BSD 風(fēng)格的許可證下發(fā)布的免費(fèi)、開(kāi)放源代碼的協(xié)議棧［8］。完整TCP／IP 協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)分別需要幾百KB的程序存儲(chǔ)空間和內(nèi)存，這對(duì)8位或16位芯片組成的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需消耗太多的資源而無(wú)法得到應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)完整的TCP／IP協(xié)議棧是沒(méi)有必要的。μIP設(shè)計(jì)成僅僅實(shí)現(xiàn)完整TCP／IP協(xié)議棧里必需的特性，其中包括IP、ICMP、μDP和TCP協(xié)議，整個(gè)協(xié)議棧是用C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，并且只能處理一個(gè)網(wǎng)絡(luò)接口［9］。

應(yīng)用程序調(diào)用μIP協(xié)議棧提供的用戶接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，μIP協(xié)議棧把應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)封裝成符合以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包，再調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)程序把數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)中的目標(biāo)機(jī)器。一旦以太網(wǎng)控制器接收到符合要求的數(shù)據(jù)包，則μIP協(xié)議棧提取包中的有效數(shù)據(jù)傳遞給應(yīng)用程序。μIP協(xié)議棧與底層驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序的調(diào)用關(guān)系如圖7所示。

圖7 μIP協(xié)議棧與底層驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序調(diào)用關(guān)系

3.4 監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

把程序下載到嵌入式服務(wù)器，硬件連接完畢后整個(gè)系統(tǒng)上電。在遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)中打開(kāi)監(jiān)控程序，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。

結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，本系統(tǒng)可以接收遠(yuǎn)程監(jiān)控PC發(fā)送的監(jiān)控命令，并根據(jù)命令將ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控PC、控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)與控制功能。本設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸距離短、布線復(fù)雜與實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，具有重要的實(shí)際意義。

圖8 遠(yuǎn)程主機(jī)監(jiān)控界面

［1］Texas Instruments AN0-71-CC2430to CC2530 Migration Guide［EB／OL］.［2012- 10］.http：／／www.ti.com／lit／ug／swru191c／swru191c.pdf.

［2］緱延軍，鄭富全.嵌入式系統(tǒng)中的ENC28J60應(yīng)用［J］.山東科學(xué)，2007（2）：75-79.

［3］許馳，李新春.基于ZigBee-WSN 的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2012（6）：36-39.

［4］陳科善，閆鵬.基于ARM Cortex-M3的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子技術(shù)，2010（10）：53-55.

［5］Microchip Technology Inc.ENC28J60 Stand-Alone Ethernet Controller with SPI Interface［EB／OL］.［2012-10］.http：／／www.microchip.com／downloads／en／Devic eDoc／39662d.pdf.

［6］IEEE Std.802.15.4-2006Wireless Medium Access Control（MAC）and Physical Layer（PHY）specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks（LR-WPANs）［S］.

［7］Shahin Farahani.ZigBee Wireless Networks and Transceivers［M］.United States of America：Newnes，2008.

［8］TheμIP Embedded TCP／IP Stack——TheμIP 1.0Reference Manual，2006.

［9］張永濤，黃丹丹，李歐.μIP 協(xié)議分析及其應(yīng)用［J］.信息工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（2）：147-149，166.