基于XPort和ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備入網(wǎng)的設(shè)計(jì)

引言

ZigBee技術(shù)作為一種新型的近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，在家電產(chǎn)品中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在網(wǎng)絡(luò)無(wú)處不在的今天，人們希望隨時(shí)隨地能訪問(wèn)和控制家庭中的各種家電設(shè)備。這就要求嵌入在家電產(chǎn)品中的智能控制系統(tǒng) （Agent）能夠與Internet相結(jié)合，使家電設(shè)備順利地接入Internet，并能提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。實(shí)現(xiàn)這些服務(wù)要求Agent必須實(shí)現(xiàn) TCP／IP協(xié)議棧，不管是以軟件方式還是以硬件方式，都會(huì)增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本、周期和復(fù)雜度。本文介紹一種基于XPort和ZigBee模塊的 Internet接入方案，將它集成到家電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，即可使智能家電設(shè)備便捷地接入Internet，然后通過(guò)Internet來(lái)控制。

1 XPort

XPort設(shè)備服務(wù)器是美國(guó)Lantronix公司開(kāi)發(fā)的一種緊湊且高度集成的、可讓任何帶有串口的智能設(shè)備接入Internet的嵌入式設(shè)備。通過(guò)在自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中集成XPort，開(kāi)發(fā)人員不必考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。XPort模塊集成有Lantronix公司的DSTni- EX增強(qiáng)版16位CPU。該模塊為i86內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)，具有24位尋址能力、256 KB的SRAM、16 KB的引導(dǎo)ROM、384 KB的Flash和10／100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)口（RJ45）。圖1直觀地顯示了XPort的接口方式和內(nèi)部布局。XPort一端為3．3 V CMOS電平的8引腳高速串口（GND，3．3VDC，Reset，Data In，Data Out，CPl，CP2，CP3），另一端為RJ45標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)口。

XPort的主要功能是實(shí)現(xiàn)串口與10／100 Mbps網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，便于帶有串口的設(shè)備接入Internet；另外還有Email告警功能，通過(guò)設(shè)定的條件觸發(fā)。XPort高速串口支持 RS232、RS485協(xié)議，有300～921 600 bps的波特率可選?？刂?a target="_blank">信號(hào)有DTR／DCD、CTS、RTS，流控制有XON／XOFF、RTS／CTS、3個(gè)PIO pin口（軟件可選）。XPort網(wǎng)絡(luò)接口的連接器為RJ45，支持協(xié)議有TCP／IP、UDP／IP、ARP、ICMP、SNMP、TFTP、 Telnet、DHCP、BOOTP、HTTP和AutoIP。XPort具有基于Windows平臺(tái)的配置工具，內(nèi)建Web服務(wù)器，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)用戶自定義網(wǎng)頁(yè)，固件可以通過(guò)TFTP和串口升級(jí)。XPort設(shè)備服務(wù)器還提供10／100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)連接、存儲(chǔ)在Flash中的可靠的操作系統(tǒng)、嵌入式Web服務(wù)器、完整的TCP／IP協(xié)議棧、標(biāo)準(zhǔn)的AES加密、狀態(tài)指示燈和電磁屏蔽電路等。XPort的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，一端的串行接口與DsTni-EX連接，另一端的以太網(wǎng)連接器通過(guò)一個(gè)防電磁干擾電路與CPU連接。

XPort通過(guò)串口和邊緣設(shè)備通信。XPort的工作電壓為3．3 V，內(nèi)部有一個(gè)電壓監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)提供的電壓低于2．7 V時(shí)會(huì)觸發(fā)重啟。3．3 V電壓通過(guò)內(nèi)建的1．8 V電壓轉(zhuǎn)換器為微處理器供電，濾波電路產(chǎn)生3．3 V的數(shù)字電壓和模擬電壓，25 MHz晶振電路為CPU和以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制芯片提供精確時(shí)鐘信號(hào)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制家電需要處理的關(guān)鍵問(wèn)題是不同數(shù)據(jù)類型的轉(zhuǎn)換，即TCP／IP數(shù)據(jù)如何被轉(zhuǎn)化為家電可以接收識(shí)別的數(shù)據(jù)，使用戶通過(guò)局域網(wǎng)或。Internet終端就能訪問(wèn)家電。該系統(tǒng)主要由3層組成：用戶層、控制中心層和終端設(shè)備層，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

其中，用戶層負(fù)責(zé)收集、顯示整個(gè)系統(tǒng)家電狀態(tài)數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令，這些功能由用戶層中的Web頁(yè)面來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以使用上位機(jī)軟件；控制中心層實(shí)際上成為用戶層與終端設(shè)備層之間的一個(gè)連接，由TCP／IP到串口轉(zhuǎn)換設(shè)備XPort和ZigBee模塊LM2455-EM組成，相當(dāng)于一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)，其主要作用是協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞；終端設(shè)備層是由傳感器、無(wú)線發(fā)射模塊和微控制器（MCU）等組成的智能家電產(chǎn)品。用戶層通過(guò)用戶程序發(fā)出的控制命令經(jīng) Socket連接傳給XPort，設(shè)備MCU接到數(shù)據(jù)后控制執(zhí)行器產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，讓家電進(jìn)入相應(yīng)的工作狀態(tài)。家電作為該系統(tǒng)中的嵌入式終端設(shè)備，成為 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)。

圖3中，虛線表示ZigBee無(wú)線通信，可分為單向和雙向。單向通信時(shí)，家電設(shè)備控制中心只需對(duì)其發(fā)出命令，控制其工作狀態(tài)；雙向通信時(shí)，家電設(shè)備控制中心還需要從該設(shè)備獲得相關(guān)的信息，并將該信息返回給用戶。系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是控制中心層，其中XPort負(fù)責(zé)與局域網(wǎng)或Internet連接，LM2455 -EM無(wú)線模塊負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)并與家電通信。圖4給出了XPort與LM2455-EM的連接方式。XPort的數(shù)據(jù)接收口連接LM2455- EM的數(shù)據(jù)發(fā)送口P1_1，XPort的數(shù)據(jù)發(fā)送口接LM2455-EM的數(shù)據(jù)接收口P1_0。

當(dāng)用戶通過(guò)Internet發(fā)送控制家電的信息或者想要獲得家電狀態(tài)時(shí)，XPort就將收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)，通過(guò)其引腳4發(fā)送給LM2455- EM的串口（P1．0）；LM2455-EM做出相應(yīng)的響應(yīng)，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)器向終端設(shè)備發(fā)送相關(guān)命令。同樣，終端設(shè)備對(duì)收到的命令做出響應(yīng)，如果用戶端需要讀取家電狀態(tài)，則發(fā)送狀態(tài)信息給控制中心。當(dāng)LM2455-EM收到ZigBee無(wú)線數(shù)據(jù)時(shí)，將其發(fā)送到XPort的引腳5，XPort就將原始數(shù)據(jù)打包成TCP／IP數(shù)據(jù)包，發(fā)送給用戶。

3 ZigBee模塊

ZigBee模塊LM2455-EM的核心是韓國(guó)RadioPulse公司推出的一款片上系統(tǒng)芯片MG2455-F48。它完全兼容IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，為家電控制、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等ZigBee應(yīng)用提供一種無(wú)線解決方案。由RF收發(fā)器、嵌入式8051核微控制器、內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器一般I／O口和定時(shí)器、UART等外圍設(shè)備組成；通信速率有250 kbps、500 kbps、1 Mbps，提供μ-law／a-law／ADPCM語(yǔ)音編碼支持，具有96 KB的Flash程序存儲(chǔ)空間和8 KB數(shù)據(jù)內(nèi)存。

在空曠場(chǎng)合，通信距離可以達(dá)到200 m。其功耗很低，在睡眠模式下，電流消耗低于1μA；在接收狀態(tài)下，電流消耗為33．2 mA；在發(fā)送狀態(tài)下，0 dBm時(shí)電流消耗為30．6 mA，8 dBm時(shí)電流消耗為43 mA。MG2455-F48采用四側(cè)無(wú)引腳扁平48引腳封裝方式。

MG2455-F48芯片集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，具有通信距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)間的數(shù)據(jù)透明傳輸，可組成星型、樹(shù)型、蜂窩型等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)通信方式包括廣播方式和按照目標(biāo)地址發(fā)送方式。 RadioPulse公司以庫(kù)文件的形式為用戶提供ZigBee協(xié)議棧軟件，用戶可使用Keil等工具軟件編譯自己的應(yīng)用程序。

4 XPort的配置

XPort上電后需要進(jìn)行配置，使其符合用戶需要的工作狀態(tài)。Lantronix公司提供了相應(yīng)的工具軟件Lantron-ix Devicelnstaller。運(yùn)行該軟件，如果XPort供電正常且已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò)，該軟件會(huì)自動(dòng)搜尋到該設(shè)備?？梢酝ㄟ^(guò)3種方式配置XPort：瀏覽器方式（推薦使用，圖形用戶界面），Telnet：遠(yuǎn)程登陸方式和串口方式。

首先使用DeviceInstaller軟件為其分配一個(gè)有效的IP地址，然后設(shè)置XPort的串口工作方式，最后設(shè)置其網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。使用協(xié)議選擇TCP，工作模式為接收連接。需分配一個(gè)本地端口，如果選擇主動(dòng)連接，則需要選擇遠(yuǎn)程主機(jī)的IP地址和端口號(hào)，其他默認(rèn)設(shè)置即可。

使用瀏覽器配置XPort的參數(shù)需要人工手動(dòng)設(shè)置，而使用基于命令行的串口方式可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)設(shè)置。用戶編寫(xiě)的XPort參數(shù)設(shè)置程序，上電時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)入監(jiān)視模式，完成相關(guān)參數(shù)設(shè)置。由于XPort內(nèi)置Web服務(wù)器，可以使用JAVA applet編寫(xiě)自己的網(wǎng)頁(yè)程序，燒寫(xiě)到XPort的用戶存儲(chǔ)空間，然后在程序中使用Socket．receive（）和Socket．send（）處理用戶自己的數(shù)據(jù)。

5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式。組建成什么網(wǎng)絡(luò)應(yīng)根據(jù)需要而定。對(duì)各家電問(wèn)沒(méi)有通信需求，也沒(méi)有擴(kuò)展通信距離需要的，可以構(gòu)建成星型網(wǎng)絡(luò)。在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，所有的終端設(shè)備都與唯一的中央控制設(shè)備——PAN協(xié)調(diào)器通信，終端設(shè)備之間的通信通過(guò)PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)完成。終端設(shè)備要么是通信的起點(diǎn)，要么是通信的終點(diǎn)；PAN協(xié)調(diào)器則既可以是通信的起點(diǎn)，也可以是通信的終點(diǎn)。

在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)備類型分為ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器、ZigBee終端設(shè)備，PAN協(xié)調(diào)器就是ZigBee協(xié)調(diào)器。 ZigBee協(xié)調(diào)器是一個(gè)起網(wǎng)絡(luò)控制中心作用的FFD，它不單為網(wǎng)絡(luò)控制而存在，還可以有自己的應(yīng)用。與XPort連接的ZigBee模塊LM2455- EM就充當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建。

創(chuàng)建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)需要用到以下幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)層原語(yǔ)。

①NLME-RESET．request原語(yǔ)：實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層復(fù)位，清除所有內(nèi)部變量和路由發(fā)現(xiàn)表記錄。

②NLME-NETWORK-FORMATION．reqctest原語(yǔ)：創(chuàng)建一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò)。只有充當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器的全功能設(shè)備才能嘗試建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)之前，它首先會(huì)請(qǐng)求MAC層執(zhí)行能量檢測(cè)掃描。

③NLME-PERMIT-JOINING．request原語(yǔ)：允許一個(gè)ZigBee終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)代碼由ZigBee協(xié)議庫(kù)文件實(shí)現(xiàn)的main（）函數(shù)來(lái)調(diào)用。它可以在ZUSER_INIT（）中實(shí)現(xiàn)，也可以在ZUSER_MAIN（）中實(shí)現(xiàn)。處理用戶自己數(shù)據(jù)則在ZUS-ER_MAIN（）中實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行在ZigBee協(xié)調(diào)器中的main（）函數(shù)通過(guò)一個(gè)死循環(huán)調(diào)用ZUSER_MAIN（） 來(lái)執(zhí)行任務(wù)和工作，其偽代碼如下：

結(jié)語(yǔ)

ZigBee作為智能家居的實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一，有著很好的應(yīng)用前景。本文給出了一個(gè)簡(jiǎn)單而高效的解決方案，使Zig-Bee終端設(shè)備能夠便捷地接入 Internet，用戶通過(guò)瀏覽器就可以操作和控制家電。用該方法實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備入網(wǎng)，不再需要在設(shè)備中增加以太網(wǎng)控制器并在MCU中實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議，可大大降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度，縮短開(kāi)發(fā)周期。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的產(chǎn)品會(huì)連接到網(wǎng)絡(luò)上，通過(guò)更小的設(shè)備來(lái)完成細(xì)分的工作。嵌入式終端設(shè)備入網(wǎng)既是需求，又是趨勢(shì)，該方法同樣適合于其他通過(guò)串口交換數(shù)據(jù)的嵌入式設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

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