基于射頻芯片CC2420的ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)

基于射頻芯片CC2420的ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)

基于射頻芯片CC2420的ZigBee無(wú)線通信設(shè)計(jì)摘要：介紹了一種GPRS無(wú)線靜態(tài)圖像傳輸系統(tǒng)的軟件和硬件實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)討論了終端移動(dòng)臺(tái)以及通過(guò)Internet傳輸圖像數(shù)據(jù)的通信軟件設(shè)計(jì)。此外，還介紹了進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，GPRS客戶(hù)端使用的兩種流控制方法。
關(guān)鍵詞：GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信TCP/IP協(xié)議圖像傳輸

GPRS是GSM系統(tǒng)中提供分組業(yè)務(wù)的一種方式，對(duì)于2G向3G的過(guò)渡，GPRS是使用最廣的能解決移動(dòng)通信與IP結(jié)合的技術(shù)方案。因其具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)，電力抄表、金融證券、智能交通等部門(mén)都開(kāi)始逐步利用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。而在各類(lèi)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，尤以圖像傳輸?shù)膽?yīng)用最具代表性。當(dāng)前，快速發(fā)展的GPRS亦面臨不少問(wèn)題：各種開(kāi)展GPRS業(yè)務(wù)的應(yīng)用軟件還有待開(kāi)發(fā)；大量多功能的GPRS終端設(shè)備也需生產(chǎn)等

本文基于當(dāng)前GPRS的發(fā)展?fàn)顩r，研究如何利用GPRS技術(shù)進(jìn)行靜態(tài)圖像傳輸以及如何通過(guò)驅(qū)動(dòng)GPRS模塊經(jīng)過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)連接Intemet，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)與公網(wǎng)監(jiān)控中心問(wèn)的可靠數(shù)據(jù)無(wú)線通信。其優(yōu)點(diǎn)在于：(1)無(wú)線上網(wǎng)，適用于可移動(dòng)目標(biāo)；(2)覆蓋面廣，適用于偏遠(yuǎn)及分散目標(biāo)；(3)傳輸可靠，傳輸速率遠(yuǎn)高于GSM系統(tǒng)。

1 GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
GPRS無(wú)線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由三大部分組成：移動(dòng)臺(tái)(MS)(控制機(jī)+GPRS開(kāi)發(fā)板)、GPRS通信網(wǎng)(包括基站控制器BSC、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)、骨干網(wǎng)以及業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)等)和監(jiān)控中心部分

移動(dòng)臺(tái)通過(guò)GPRS模塊連接到改造后的GSM基站(包括BSC、BTS和PCU)，然后連接到GPRS服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN，通過(guò)SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN通信，GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，發(fā)送到Internet上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)與監(jiān)控中心的通信。

監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及顯示器組成。移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)信息通過(guò)GPRS網(wǎng)傳至GPRS網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過(guò)Internet以IP協(xié)議將這些信息發(fā)至監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。監(jiān)控中心的控制信息亦通過(guò)此通信鏈路下達(dá)移動(dòng)臺(tái)：來(lái)自Internet標(biāo)識(shí)有移動(dòng)臺(tái)地址的TP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)SGSN，繼而傳送到移動(dòng)臺(tái)。

2 圖像傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的發(fā)送端硬件部分主要是移動(dòng)臺(tái)MS部分，包括移動(dòng)終端(MT)和終端設(shè)備(TE)。TE即控制機(jī)，設(shè)計(jì)采用PC機(jī)對(duì)MT實(shí)行通信控制。MT主要基于GPRS／GSM模塊，需連接外圍電路構(gòu)成完整的移動(dòng)終端。移動(dòng)終端通過(guò)接收控制機(jī)發(fā)送的AT指令實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能。

2．1 GPRS無(wú)線模塊的功能及接口
GPRS模塊是整個(gè)移動(dòng)終端的核心，采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模塊。Q2406B為GPRSl0級(jí)產(chǎn)品，與外部電路的接口由一個(gè)60引腳的通用連接器提供。Q2406B屬WISMO 2D系列，在機(jī)件特質(zhì)、倒模、軟件及硬件接口方面與WISMO 2C完全兼容，包含以前型號(hào)模塊的所有功能。由于嵌入了可選TCP／IP協(xié)議棧，直接通過(guò)AT指令就能接入Intemet，省去了常用的TCP/IP處理模塊及編程時(shí)調(diào)用各種API函數(shù)的繁瑣。Q2406B模塊的功能接口描述如圖2所示。

(1)電源接口：給模塊射頻部分供電一般為3．6V，基帶部分供電不得低于3．1V。可采用符合波紋系數(shù)要求的電源作為輸入。同時(shí)為兩部分供電。
(2)SIM卡接口：提供了符合GSMll．12規(guī)范的3VSIM卡接口。若要連接5V SIM卡(GSM11．11規(guī)范)，可外接3～5V電平轉(zhuǎn)換器(如LTCl555)實(shí)現(xiàn)。
(3)話音輸入輸出接口：包括兩路話筒輸入輸出接口。
(4)RF天線電路接口：有直接和非直接兩種天線連接方式。
(5)I／O接口：包括GPIO接口、uART接口、鍵盤(pán)及SPI接口。

2.2 電路功能接口實(shí)現(xiàn)
Q2406B模塊與外圍電路連接，移動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

(1)供電：外部供電要穩(wěn)定，若小于3．3V則GPRS模塊無(wú)法登錄網(wǎng)絡(luò)；若大于4．5V，則會(huì)燒壞模塊。
(2)UART串口：移動(dòng)終端通過(guò)UART與控制機(jī)串口通信，接收AT指令和傳輸數(shù)據(jù)。Q2406B模塊是TTL器件，串口不能直接與’PC機(jī)的EIA-RS-232C連接器相連，采用MAX3237驅(qū)動(dòng)串口。

與02406B進(jìn)行串口通信至少需要四種信號(hào)：TXD、RXD、RTS和CTS。后兩種信號(hào)用于硬件流控制，防止傳輸時(shí)數(shù)據(jù)丟失。詳見(jiàn)通信軟件設(shè)計(jì)部分。

(3)SIM卡接口：3V SIM卡檢測(cè)信號(hào)輸出，但Q2406B模塊提供了SIM卡檢測(cè)輸入引腳SIMPRES，且SIMPRES信號(hào)由低變高表示SIM卡插入，為使模塊能檢測(cè)到SIM卡，設(shè)計(jì)直接將SIMPRES管腳連高電平
 

(4)音頻處理：兩路音頻接口中一路自帶偏置，一路需外接偏置。音頻接口內(nèi)部連接了運(yùn)放，差分模式比單端模式更利于防止噪聲，所以?xún)陕范疾捎貌罘诌B接，通過(guò)電容電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可連接電話手柄進(jìn)行通話。

(5)RF天線匹配采用非直接連接法。使用阻抗為50Ω的同軸電纜，與GPRS模塊射頻部分的傳輸阻抗匹配。電纜另一端連接阻抗亦為50Ω的天線，大大減小了回波反射，設(shè)備移動(dòng)靈活。
 

(6)設(shè)計(jì)還包括一些輔助電路：軟件下載電路、LED指示燈電路、開(kāi)關(guān)及復(fù)位電路，可使硬件平臺(tái)更有效、安全地工作。
 

2.3 系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)
電磁干擾是無(wú)線終端設(shè)計(jì)中需重點(diǎn)考慮的環(huán)節(jié)。GPRS模塊的工作頻率在900/1 800MHz，發(fā)射功率峰值達(dá)2W，處理不當(dāng)，會(huì)對(duì)外圍電路產(chǎn)生干擾?？朔黝?lèi)干擾．確保穩(wěn)定工作是布板首要考慮的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)從以下幾方面采取措施：

(1)盡量采用貼片封裝的器件，避免采用DIP類(lèi)型的器件，減小電流發(fā)射(感應(yīng))環(huán)路面積，同時(shí)節(jié)約了板圖面積。
(2)采用四層PCB板，保證信號(hào)和電源的完整性，避免傳輸過(guò)程中的損耗，把供電和地彈噪聲降到最小。良好的接地還能起到更好的靜電保護(hù)和散熱作用，設(shè)計(jì)對(duì)所有信號(hào)(模擬／數(shù)字，射頻)使用同一地線。
(3)對(duì)重點(diǎn)信號(hào)布線著重考慮。為保護(hù)SIM卡及串口輸出等敏感部分免受射頻及尖峰脈沖干擾，采用高速防靜電管ESDA6V1L、DAI6V1L加以保護(hù)；音頻信號(hào)線采用地線隔離、屏蔽，以減小外界的干擾。
(4)合理布置器件的位置，減小走線長(zhǎng)度，SIM卡接口線長(zhǎng)度應(yīng)小于lOom。
(5)供電線路旁增加去耦電容，保證供電穩(wěn)定。

2.4 系統(tǒng)熱防護(hù)設(shè)計(jì)
02406B的工作溫度為一20叫~+55℃，RF發(fā)射功率較大，應(yīng)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，防止長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的熱量燒壞模塊。
(1)把Q2406B模塊隔離罩上的接地管腳同時(shí)焊到PCB板兩面，加速模塊散熱。
(2)選擇與GPRS模塊射頻匹配的天線，減少天線回波反射產(chǎn)生的熱量。
(3)元件布局也要注意散熱：大功率的GPRS模塊靠邊放置，便于散熱；發(fā)射天線附件不放元件，特別是電容，以免電解液受熱過(guò)早老化。

3 圖像傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3．1 設(shè)計(jì)目的
軟件設(shè)計(jì)目的：通過(guò)向GPRS模塊發(fā)送AT指令，控制移動(dòng)終端的通信過(guò)程，使移動(dòng)臺(tái)能借助GPRS提供的網(wǎng)關(guān)和路由接入Intemet，并通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成與Internet上監(jiān)控中心傳輸圖像數(shù)據(jù)的任務(wù)。

基于以上要求，設(shè)計(jì)了通信軟件，即GPRS客戶(hù)端軟件和服務(wù)器端軟件。

3．2 GPRS無(wú)線模塊通信指令
WISMO 2D模塊的軟件部分對(duì)外提供了控制系統(tǒng)操作的AT指令集，通過(guò)接收來(lái)自UART的AT指令，解釋并執(zhí)行相應(yīng)操作，實(shí)現(xiàn)無(wú)線Modem相應(yīng)功能。

由于編寫(xiě)的程序過(guò)長(zhǎng)，只列出進(jìn)行TCP傳輸用到的主要AT指令：
AT+CGREG=1；//設(shè)置GPRS注冊(cè)狀態(tài)
AT+CGATT=l；//GPRS網(wǎng)絡(luò)附著
AT#APNSERV=“CMNET”；//設(shè)置GPRS接入點(diǎn)
AT#APNUN=″″；//身份驗(yàn)證用戶(hù)名設(shè)為空
AT#APNPW=″″；//身份驗(yàn)證密碼設(shè)為空
AT# ConnectionStart；//連接CPRS網(wǎng)登錄Internet，成功返回動(dòng)態(tài)分配的IP地址
AT#TCPSERV=″202.112.135.203″：//設(shè)置服務(wù)器IP地址，即監(jiān)控中心的IP地址
AT#TCPPORT=″6000″：//設(shè)置服務(wù)器與客戶(hù)端通信的Socket端口：
AT#otcp；//打開(kāi)與遠(yuǎn)程服務(wù)器的TCP連接

TCP連接成功后，GPRS模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，這時(shí)就可通過(guò)串口向GPRS模塊發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，模塊通過(guò)Socket發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也能向模塊發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳完后控制機(jī)向GPRS模塊發(fā)送終止字符，移動(dòng)終端又回到AT指令接收狀態(tài)。

3.3 GPRS客戶(hù)端軟件
運(yùn)行于控制機(jī)上的客戶(hù)端軟件具有以下功能：
(1)串口通信，包括AT指令通信和數(shù)據(jù)文件通信。
(2)顯示傳輸過(guò)程計(jì)時(shí)，用于測(cè)試系統(tǒng)的傳輸速率。
(3)中止GPRS模塊TCP協(xié)議棧通信。系統(tǒng)傳輸出錯(cuò)時(shí)中止協(xié)議棧工作。

Q2406B內(nèi)嵌TCP協(xié)議棧的緩存區(qū)有限，若串口寫(xiě)入速率遠(yuǎn)高于GPRS傳輸速率，協(xié)議棧將會(huì)丟失數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕仨氝M(jìn)行流控制。設(shè)計(jì)中采用了兩種流控制方法：數(shù)據(jù)分包法和硬件握手法。

采用數(shù)據(jù)分包法的GPRS客戶(hù)端傳輸圖像文件流程圖如圖4所示。該方法將圖像文件先打成若干個(gè)小數(shù)據(jù)包，逐個(gè)寫(xiě)入串口，由GPRS模塊發(fā)送。監(jiān)控中心的服務(wù)器端接收完一個(gè)數(shù)據(jù)包后返回應(yīng)答幀，GPRS模塊再發(fā)下一個(gè)數(shù)據(jù)包。若超時(shí)還未返回應(yīng)答幀，則重發(fā)上一個(gè)數(shù)據(jù)包。此法犧牲了一定時(shí)間，但很好地保證了圖像傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

硬件握手法采用9線串口中的硬件握手信號(hào)：RTS/CTS做流控制。系統(tǒng)工作時(shí)?？刂茩C(jī)使用RTS啟動(dòng)GPRS模塊的數(shù)據(jù)流，GPRS模塊用CTS啟動(dòng)和暫停來(lái)自控制機(jī)的數(shù)據(jù)流。當(dāng)緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時(shí)，模塊將CTS線置低電平，控制機(jī)程序檢測(cè)到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到協(xié)議棧緩存區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高電平。

此法也可保證寫(xiě)入數(shù)據(jù)不丟失，而且傳輸圖像文件的耗時(shí)低于前種方法。但它不能用于簡(jiǎn)化的三線串口協(xié)議，也不能如前種方法那樣檢測(cè)到GPRS數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的丟包現(xiàn)象，通過(guò)重發(fā)來(lái)保證傳輸過(guò)程的可靠性。 

3.4 GPRS服務(wù)器端軟件
GPRS圖像傳輸系統(tǒng)采用多個(gè)移動(dòng)終端都與監(jiān)控中心服務(wù)器連接的方法。服務(wù)器采用普通Internet上的主機(jī)方式，作為T(mén)CP服務(wù)器端，具有靜態(tài)公網(wǎng)IP，開(kāi)放了偵聽(tīng)端口，可從外部訪問(wèn)，其上運(yùn)行TCP端口監(jiān)聽(tīng)程序，接收來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的TCP數(shù)據(jù)包，并向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)分包法的GPRS服務(wù)器端接收?qǐng)D像文件流程如圖5所示。該服務(wù)器端軟件具有以下功能：(1)監(jiān)聽(tīng)TCP端口；(2)接收數(shù)據(jù)包，發(fā)送接收應(yīng)答幀；(3)顯示接收數(shù)據(jù)和大小，保存圖像文件。

本系統(tǒng)的發(fā)送端設(shè)計(jì)了兩種流控制方法，一種從硬件上實(shí)現(xiàn)，另一種從軟件上實(shí)現(xiàn)。前者在網(wǎng)絡(luò)狀況穩(wěn)定的情況下，傳輸速度較快。后者可有效保證整個(gè)GPRS傳輸過(guò)程的穩(wěn)定可靠，并能直接用于簡(jiǎn)化的三線串口協(xié)議，當(dāng)控制機(jī)采用嵌入式微處理器時(shí)，能方便地與微處理器串口相連，無(wú)需串口轉(zhuǎn)換芯片。

使用中國(guó)移動(dòng)提供的普通GPRS業(yè)務(wù)進(jìn)行測(cè)試，本系統(tǒng)的傳輸速率可達(dá)10kbps，大量測(cè)試中未出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。同時(shí)也可勝任傳輸任何形式的文件數(shù)據(jù)，應(yīng)用于需要遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。