CN201282473Y - 基于ARM的ZigBee无线网络协调器 - Google Patents

Abstract

一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器，涉及无线监测电子技术领域；该无线网络协调器包括：一嵌入式微处理器ARM平台，运行嵌入式Linux，设有USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN总线接口、以太网接口、JTAG接口、电源接口、AD/DA接口、Flash存储和LCD触摸屏；一个ZigBee中心节点，经串口连接至ARM平台，分别设有RAM、ROM、GPIO、LED、LCD、AD/DA、USB等接口以及2.4GHz天线，由电池供电或通过串口与ARM平台相连供电。在ARM平台上的嵌入式Linux环境下从串口读取ZigBee中心节点数据，对数据进行分析处理后可在ARM平台的TFT真彩LCD(触摸屏)上显示输出。本实用新型具有高性能、低功耗、易组网、低成本、易于安装且兼容性好的特点。

Description

基于ARM的ZigBee无线网络协调器

技术领域

本实用新型涉及无线监测电子技术，特别是涉及一种基于嵌入式微处理器ARM平台的ZigBee无线网络协调器技术，具体来说是用于ZigBee无线网络中心节点的协调器，属于嵌入式无线网络系统应用领域。

背景技术

随着计算机技术及网络通信技术的快速发展，各种无线传输技术正飞速地进入许多应用领域，与有线设备相比，无线传输具有成本低、携带方便、无需布线等优点。而在标准林立的短距离无线通信领域，ZigBee(紫蜂)的快速发展可以说是令人始料未及。自从2004年年底ZigBee标准确立，到2005年年底相关芯片及终端设备总共销售了1500亿美元，比被业界“炒”了多年的蓝牙，Wi-Fi产品进展都要快！

ZigBee是基于IEEE 802.15.4无线标准的有关组网、安全和应用软件方面的无线技术标准。ZigBee无线技术拥有耗能低、成本低、复杂度低、网络容量大、安全性高、工作频段灵活、延时短等优点。每个ZigBee协调器可连接多达255个节点，几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目没有限制。完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准，应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE 802.15.4的推动下，结合其他无线技术，可以实现无所不在的网络。不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有巨大的应用价值，未来在应用中还可以涉及人类日常生活和社会生产活动的几乎所有领域。

自ZigBee标准发布到现在，ZigBee无线产品提供商逐步增加，并且有越来越多的产品种类涌现出来。但随着激烈竞争的日益加剧，越来越多的提供商更加关注ZigBee的优点：即低成本和低功耗。因此，他们采用具有尽可能低的成本和功耗的微控制器作为ZigBee产品的控制器，并且发布了单芯片解决方案(即将无线收发器和控制器集成到一个芯片上)。用户乐意接受单芯片方案，因为它能够大大降低成本，缩短研发周期，加速上市时间，从而对促进ZigBee的应用起到积极的作用。但是，对这种追求低成本的方法来说，在面对ZigBee的多样化的应用时面临着一些限制。

在ZigBee无线网络中包含三种设备类型：ZigBee无线网络协调器、ZigBee无线路由器和ZigBee无线终端设备。ZigBee无线网络协调器是整个ZigBee无线网络的中心，它负责的功能包括建立、维持和管理网络、分配网络地址等许多任务，因此其性能必须高于ZigBee无线网络中其他类型的设备。对于简单的网络和应用，ZigBee无线网络中的三种设备可以使用同样的控制器。但随着网络的扩展和应用复杂度的增加，ZigBee无线网络协调器的负担加重，将渐渐超过单芯片的能力，从而在很大程度上限制了ZigBee应用的扩展。因此，ZigBee无线网络协调器应该使用与其他设备不同的控制器，并且对具有高性能控制器的需求日益提升。对于ZigBee无线网络协调器所使用的控制器，除了功耗和成本之外，还要着重考虑性能。

ARM(Advanced RISC Machines)是对一类微处理器的通称，也是一种技术的名字。目前，ARM微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75％以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。采用RISC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集，能很好的兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定等等。在工业控制领域，基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战，而且目前已有超过85％的无线通讯设备也采用了ARM技术，ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。

实用新型内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本实用新型提供了一种具有高性能、高传输速度、低功耗、易组网、低成本、易于安装且兼容性好的基于ARM的ZigBee无线网络协调器。

为了解决上述技术问题，本实用新型所提供的一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器，该ZigBee无线网络协调器包括：一嵌入式微处理器ARM平台，运行嵌入式Linux操作系统，分别设有USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN总线接口、以太网接口、JTAG接口、电源接口、AD/DA接口、Flash存储和LCD触摸屏；一个ZigBee中心节点，经串口连接至嵌入式ARM平台，分别设有RAM、ROM、GPIO、LED、LCD、AD/DA、USB等接口以及2.4GHz天线，由电池供电或通过串口与嵌入式ARM平台相连供电。

进一步的，所述的基于ARM的ZigBee无线网络协调器以Atmel公司的工业级AT91RM9200嵌入式微处理器为核心平台，该平台是以ARM920T内核的一款32位RISC微控制器，它工作在180MHz频率下的运算速度可达200MIPS；在AT91RM9200上集成了丰富的外围功能模块，此外，在嵌入式ARM平台集成了多种外围接口。

进一步的，所述的ZigBee中心节点采用Jennic JN5121模块作为控制板，主要由JN5121芯片、天线、16MHz晶振、1Mbit FLASH和一些相关的电阻、电容组成。JN5121封装成四层板，仅有1mm厚。

进一步的，所述的ZigBee无线网络协调器在ARM平台上的嵌入式Linux环境下从串口读取ZigBee中心节点数据，对数据进行分析处理后可在ARM平台的TFT真彩LCD(触摸屏)上显示输出，同时，可将分析处理后的数据通过ARM平台的以太网接口以TCP/IP方式传输到监控中心的计算机上。

进一步的，所述ZigBee中心节点连接的LCD的背光正极A直接连接在电源上，LCD的/RES脚连接到复位电路上；LCD通过A0判断数据是控制数据还是显示数据；通过C86选择是与6800还是8086接口；通过P/S选择是串行通信还是并行通信。

进一步的，所述的ZigBee中心节点控制板供电通过两种方式，一种是通过串口与嵌入式ARM平台相连供电，另一种是通过两节1.5V电池供电。采用这两种供电方式，在中心节点协调器不需要移动时，可以将其和具有串口的设备连接起来供电，免去换电池的麻烦。而当中心节点协调器需要移动时，也可以通过电池供电，保证中心节点的供电方便。

进一步的，所述的ZigBee中心节点设DB9接头，并经电平转换(MAX3223)芯片与标准的RS232连接。

本实用新型所提供的一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器中，所述ZigBee中心节点协调器组成的无线网络的建立流程为：

1)中心节点建立网络；

2)网络建立？是则转至3)；否则转至1)；

3)等待终端设备加入；

4)请求加入网络？是则转至5)；否则转至3)；

5)允许加入网络并分配网络地址。

本实用新型所提供的一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器中，所述ZigBee中心节点协调器与终端节点的通信流程为：

1)中心节点协调器等待接收数据，转至4)；

2)终端节点等待发送数据；

3)发送数据请求？是则转至4)；否则转至2)；

4)接收数据请求？是则转至5)；否则转至1)；

5)准备好接收？

6)接收数据并显示。

本实用新型提供的一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器，其主要优点在于：

①采用嵌入式ARM平台对数据进行分析、处理，在监测点或数据量小的情况下该平台可作为监控中心，以节约成本；在监测点或数据量较大的情况下该平台可通过以太网将分析处理后的数据快速转发至监控中心的计算机；

②监控中心通过以太网与嵌入式ARM平台连接，可利用以太网速度快、通信标准化、数据安全化、连接简单化等有很多优点；

③由于采用通过串口给ZigBee中心节点模块供电的方式，串口供电最大的好处就是可以在不需要移动的情况下，特别是在实验阶段，免去经常更换电池的麻烦；

④采用以太网将分析处理后的数据传输给监控中心，它具有传输速度高、低功耗、易于安装且兼容性好的特点。

附图说明

图1是本实用新型实施例基于ARM平台的ZigBee无线网络协调器的结构图；

图2是本实用新型实施例ZigBee中心节点协调器供电电路图；

图3是本实用新型实施例ZigBee中心节点协调器的LCD连接电路图；

图4是本实用新型实施例ZigBee中心节点协调器的串口连接电路图；

图5是本实用新型实施例ZigBee中心节点协调器的DB9与MAX3223连接电路图；

图6是本实用新型实施例ZigBee无线网络的建立流程框图；

图7是本实用新型实施例ZigBee无线网络的通信流程框图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本实用新型的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型的一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器以Atmel公司的工业级AT91RM9200嵌入式微处理器为核心平台，ZigBee无线网络协调器通过串口连接到嵌入式ARM平台上，在ARM平台上运行嵌入式Linux，可以在Linux下编程使AT91RM9200平台从串口读取ZigBee无线网络协调器数据，对数据进行分析处理后可在ARM平台的8寸TFT真彩LCD(触摸屏)上显示输出，同时，可将分析处理后的数据通过ARM平台的以太网发送到监控中心的计算机上。图1为本实用新型基于ARM平台的ZigBee无线网络协调器的结构图。

AT91RM9200是Atmel公司推出的基于ARM920T内核的一款32位RISC微控制器，它工作在180MHz频率下的运算速度可达200MIPS；在AT91RM9200上集成了丰富的外围功能模块，专门针对系统控制、通讯领域的应用而设计；此外，在嵌入式ARM平台集成了多种外围接口，包括USB接口、串口、CAN接口、AD/DA接口、485总线接口、音频接口、SD/MMC卡读卡器、JTAG/ICE、DEBUG调试接口等。

本实用新型采用Jennic JN5121模块作为ZigBee中心节点协调器的控制板，中心节点给用户提供了完全的硬件环境去开发802.15.4和ZigBee的应用。硬件提供了一个稳定的平台去测试以Jennic JN5121模块为核心的应用目标。JN5121模块是由JN5121芯片、天线、16MHz晶振、1Mbit FLASH和一些相关的电阻、电容组成的。封装成四层板，仅有1mm厚。FLASH存储JN5121内部处理器将要运行的应用程序，当系统启动后，芯片将存储在FLASH里的程序下载到RAM里执行。具体指标如下：

一个2.4GHz无线电适配器，包含有802.15.4 2450MHz PHY协议；

一个速率为250kbps的调制解调器，使用O-QPSK(Offset Quadrature PhaseShift Keying)的调制方式；

一个处理802.15.4 MAC层协议的限时问题的数字基带处理器；

一个用来对802.15.4进行硬件加密的AES处理器，这个处理器允许内嵌式的加密和解密并且可以被软件或者注册通过控制；

芯片内部包含有一个带有计时器和数字IO的32位的RISC CPU；

CPU内部运行一个软件栈，执行MAC层的其余功能。这个软件提供一个API，使得上层的协议和应用可以使用MAC层的控制和数据服务；

通过叫醒计时器或数字IO转变使模块工作在低功率休眠模式和叫醒机制下。

ZigBee中心节点协调器控制板供电通过两种方式，一种是通过串口与ARM嵌入式平台相连供电，另一种是通过两节1.5V电池供电。采用这两种供电方式，主要是考虑到，在中心节点协调器不需要移动时，可以将其和具有串口的设备连接起来供电，免去换电池的麻烦。而当中心节点协调器需要移动时，也可以通过电池供电，保证中心节点的供电。供电电路如图2所示。这两种供电方式是通过一个选择跳线J2完成的。使用串口供电，选择跳线的1和2两个引脚连接；使用电池供电，选择跳线的2和3两个引脚连接。无论选择哪种供电方式，控制板的电源开关均为SW5。

如图3所示，在ZigBee中心节点协调器上设计了一个128 x 64像素的LCD。LCD的背光正极A直接连接在电源上，并不受开关SW5的控制。LCD的/RES脚连接到复位电路上，这样可以当按下复位按钮时，LCD也重新启动，进入工作状态。LCD通过A0判断数据是控制数据还是显示数据；通过C86选择是与6800还是8086接口；通过P/S选择是串行通信还是并行通信。在中心节点上，LCD与模块采取串行通信方式。JN5121的MCU是8086的，所以选择与8086的接口方式。当这几个引脚的连接方式确定下来后，可以设计出ZigBee中心节点LCD的连接图。

如图4所示，在ZigBee中心节点协调器上，使用一个10引脚的插针作为串口，通过USB转串口转换器将USB和串口连接起来进行电平转换。利用USB转串口转换器，USB与模块进行通信，并且能够将编译好的程序下载到模块的FLASH中。串口上一些引脚连接到模块的UART0的相应引脚上。通过这个串口，不仅可以将程序下载到模块的FLASH里，还可以给模块供电。串口供电最大的好处就是可以在不需要移动的情况下，特别是在实验阶段，免去经常更换电池的麻烦。图4是串口连接图，模块的DIO6、DIO7复用了UART0的TXD、RXD，通过这两个引脚，模块与PC进行通信。其中，DTR与DSR连接在一起，表示只要模块准备好，认为模块立即可以接收数据；CTS与RTS连接在一起，表示只要PC请求发送数据，模块立即允许发送。

如图5所示，考虑到ZigBee中心节点协调器的通用性，加入了一个DB9接头，可以与标准的RS232连接。由于电平不匹配，所以选用MAX3223芯片做电平转换。MAX3223含有两路数据输入输出，可以将信号电平降低到3.3V。模块这边选用UART1与PC进行通信。其中DIO17、DIO18、DIO19、DIO20分别复用CTS、RTS、TXD和RXD。图5是DB9与MAX3223连接图，图中设计了一些0欧姆的电阻，用途是为了可以灵活选用DB9，根据选用不同的0欧姆电阻使得公头和母头都可以用。

图6为ZigBee无线网络的建立流程，网络的组建是由中心节点协调器完成，当中心节点协调器将网络建立成功后，终端节点可以请求加入网络，经过允许后，中心节点协调器会自动分配给终端节点一个网络地址。所有的终端节点加入网络后，ZigBee网络建立完成，可以准备数据的收发。所述ZigBee中心节点组成的无线网络的建立流程为：

1)中心节点建立网络；

2)网络建立？是则转至3)；否则转至1)；

3)等待终端设备加入；

4)请求加入网络？是则转至5)；否则转至3)；

5)允许加入网络并分配网络地址。

网络建立后，终端取得了需要传输的数据，通过ZigBee无线网络将数据发送给ZigBee中心节点协调器，在这个过程中，距离中心节点协调器远的终端节点，需要通过ZigBee路由节点转发。如图7所示，ZigBee无线网络中心节点协调器和终端节点的通信流程：

1)中心节点协调器等待接收数据，转至4)；

2)终端节点等待发送数据；

3)发送数据请求？是则转至4)；否则转至2)；

4)接收数据请求？是则转至5)；否则转至1)；

5)准备好接收？

6)接收数据并显示。

实际的ZigBee无线网络很复杂，比如可以组成星型、网型、树型。当ZigBee终端节点通过ZigBee无线网络将数据发送给中心节点后，中心节点协调器向串口发数据，ARM嵌入式平台从串口读数据并将读入的数据进行相应的分析处理，然后通过以太网将数据传送给监控中心进行进一步的分析、处理和保存。

Claims (5)

1、一种基于ARM的ZigBee无线网络协调器，其特征在于，包括：一嵌入式微处理器ARM平台，运行嵌入式Linux操作系统，分别设有USB接口、RS232接口、RS485接口、CAN总线接口、以太网接口、JTAG接口、电源接口、AD/DA接口、Flash存储和LCD触摸屏；一个ZigBee中心节点，经串口连接至嵌入式ARM平台，分别设有RAM、ROM、GPIO、LED、LCD、AD/DA、USB接口以及2.4GHz天线，由电池供电或通过串口与嵌入式ARM平台相连供电。

2、根据权利要求1所述的基于ARM的ZigBee无线网络协调器，其特征在于，所述的基于ARM的ZigBee无线网络协调器的型号为AT91RM9200的嵌入式微处理器为核心平台。

3、根据权利要求1所述的基于ARM的ZigBee无线网络协调器，其特征在于，所述的ZigBee中心节点采用Jennic JN5121模块作为控制板，由JN5121芯片、天线、16MHz晶振、1Mbit FLASH、相关的电阻、电容组成。

4、根据权利要求1所述的基于ARM的ZigBee无线网络协调器，其特征在于，所述的ZigBee中心节点连接的LCD的背光正极A直接连接在电源上，LCD的/RES脚连接到复位电路上。

5、根据权利要求1所述的基于ARM的ZigBee无线网络协调器，其特征在于，所述的ZigBee中心节点控制板供电通过两种方式，一种是通过串口与嵌入式ARM平台相连供电，另一种是通过两节1.5V电池供电。

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