專利名稱：一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可以遠(yuǎn)程讀取無線節(jié)點(diǎn)、能夠使 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)無縫連接的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)。
背景技術(shù)：
Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo) 記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。這一名稱來源來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方 式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以 此作為新一代無線通訊技術(shù)的名稱。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成 本。主要適合用于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。Zigbee是一組基于IEEE 802. 15. 4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方 面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。與其他無線標(biāo)準(zhǔn)如802. 11或802. 16不同，Zigbee和802. 15. 4以250Kbps 的最大傳輸速率承載有限的數(shù)據(jù)流量。Zigbee使1822006. 24計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用用全球免 費(fèi)頻段進(jìn)行通訊，能夠在三個(gè)不同的頻段上通訊。全球通用的頻段400GHZ-2. 484GHz，歐洲 采用的頻段是868. OMHz-868. 66MHz，美國采用的頻段是902MHz_928MHz，傳輸速率分別為 250kbps, 20kbps和40kbps，通訊距離的理論值為10m_75m。ZigBee協(xié)議框架包含物理層、介質(zhì)訪問層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中的物理層、 介質(zhì)訪問層和數(shù)據(jù)鏈路層是基于IEEE802. 15. 4無線個(gè)人局域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；ZigBee 在IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上建立網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用支持層，包括巨大數(shù)量節(jié)點(diǎn)的處理最大 節(jié)點(diǎn)數(shù)可以達(dá)到65000個(gè)、ZigBee設(shè)備對象、用戶定義的應(yīng)用輪廓以及應(yīng)用支持層等。應(yīng) 用層則由用戶根據(jù)需要進(jìn)行開發(fā)。ZigBee技術(shù)在ZigBee聯(lián)盟和IEEE802. 15. 4的推動下，結(jié)合其他無線技術(shù)，可以實(shí) 現(xiàn)無所不在的網(wǎng)絡(luò)。它不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域有具有巨大的運(yùn)用價(jià) 值，在未來其應(yīng)用可以涉及到人類日常生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，用于遠(yuǎn)程 讀取無線節(jié)點(diǎn)、能夠使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)無縫連接。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線 網(wǎng)關(guān)，其特征在于該以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)包括Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、 外部以太網(wǎng)PHY芯片以及供電與電源管理模塊，所述Zigbee收發(fā)器通過4線SPI總線接口 與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述TCP/IP協(xié)議棧芯片通過數(shù)據(jù)和地址總線與微控制器連 接并進(jìn)行通信；所述外部以太網(wǎng)PHY芯片通過媒體獨(dú)立接口 MII與TCP/IP協(xié)議棧芯片連 接；所述供電與電源管理模塊分別與Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以 太網(wǎng)PHY芯片連接并為其提供電源。本實(shí)用新型應(yīng)用此大規(guī)模集成芯片于系統(tǒng)中可完全卸載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需的負(fù)荷，減
3輕軟件開發(fā)的開支。采用硬件化的TCP/IP協(xié)議棧芯片W3150A+進(jìn)行TCP/IP數(shù)據(jù)包的高速 處理，能夠?qū)崿F(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接與通訊。本實(shí)用新型的Zigbee射頻收發(fā)器由CC2420芯片來實(shí)現(xiàn)信號的接收與發(fā)射，并配 備了一個(gè)全向天線，全向天線可用來實(shí)現(xiàn)無線信號靈敏接收的強(qiáng)大功能，可以遠(yuǎn)程讀取無 線節(jié)點(diǎn)。

圖1是本實(shí)用新型一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本實(shí)用新型無線網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本實(shí)用新型Zigbee收發(fā)器與微控制器的接口示意圖；圖4是本實(shí)用新型硬件化的TCP/IP芯片協(xié)議?？蚣?；圖5是本實(shí)用新型不同位置的距離35米的網(wǎng)關(guān)平均RSSI示意圖；圖6是本實(shí)用新型不同RSSI的網(wǎng)關(guān)平均PRR示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的內(nèi)容、優(yōu)點(diǎn)和目的將在下面實(shí)施例的說明中予以闡述。一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于該以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)包括 Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以太網(wǎng)PHY芯片以及供電與電源管理模 塊，所述Zigbee收發(fā)器通過4線SPI總線接口與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述TCP/IP協(xié) 議棧芯片通過數(shù)據(jù)和地址總線與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述外部以太網(wǎng)PHY芯片通過 媒體獨(dú)立接口 MII與TCP/IP協(xié)議棧芯片連接；所述供電與電源管理模塊分別與Zigbee收 發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以太網(wǎng)PHY芯片連接并為其提供電源。所述Zigbee收發(fā)器包括天線、無線射頻芯片、射頻電路以及晶振電路；所述天線 與射頻電路連接；所述射頻電路和晶振電路分別與無線射頻芯片連接。所述晶振電路用于 給芯片(單片機(jī))提供工作信號脈沖。所述射頻電路用于為天線提供50歐姆阻抗匹配，使 天線效能得到充分地發(fā)揮。所述微控制器包括主程序控制芯片以及與主程序控制芯片連接的存取電路和串 口通信電路。所述串口電路用于RS232電平轉(zhuǎn)換，使該網(wǎng)關(guān)能直接與計(jì)算機(jī)串口相連，便于 更新固件程序以及調(diào)試。本實(shí)用新型提出的基于Zigbee技術(shù)以太網(wǎng)(Ethernet)無線網(wǎng)關(guān)(Zigbee/ Ethernet網(wǎng)關(guān))采用8位低價(jià)8051作為主控芯片來完成Zigbee到Ethernet的轉(zhuǎn)換。為 了減輕主控芯片的TCP/IP數(shù)據(jù)包處理負(fù)擔(dān)，該網(wǎng)關(guān)采用全硬件化的TCP/IP協(xié)議棧芯片 W3150A+來完成TCP/IP數(shù)據(jù)的處理，通過數(shù)據(jù)/地址總線與主控單片機(jī)相連，充分保證數(shù)據(jù) 的處理速度。Zigbee收發(fā)芯片采用TI公司的CC2420芯片，以保證該網(wǎng)關(guān)能夠很好地兼容 IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)；CC2420芯片通過SPI接口與主控單片機(jī)進(jìn)行通信，在保證通信速度的 同時(shí)，更節(jié)省了單片機(jī)的I/O接口開支。Zigbee/Ethernet網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。本實(shí)用新型采用8051指令兼容 的微控制器，該微控制器具有2kB的片上內(nèi)存，帶有64KB的閃存ROM，以及2kB的信息存儲 EEPROM。[0022]本實(shí)用新型中，選用Antenova的50歐姆云母芯片天線，以確保高性能、最低功耗 和小尺寸。Antenova的云母片天線易于集成，專為2. 4GHz ZigBee的具有65%平均效率的 設(shè)備設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)中的硬件協(xié)議棧芯片W3150A+是以大規(guī)模集成電路方式硬 件化通訊協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)方式是以硬件化TCP/IP棧來完成，提供了一種簡單、經(jīng)濟(jì)的高速連 接互聯(lián)網(wǎng)上各種數(shù)字設(shè)備的解決方案。應(yīng)用此大規(guī)模集成芯片可完全卸載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所需的 負(fù)荷，減輕軟件開發(fā)的開支。W3150A+實(shí)現(xiàn)TCP/IP棧中的TCP、UDP、I CMP, IPv4、ARP、IGMP 以及PPPoE協(xié)議等，另加連接以太網(wǎng)協(xié)議中的數(shù)據(jù)控制及MAC協(xié)議。芯片內(nèi)含16KB收/發(fā) 緩沖存儲器。對MCU接口采用直接總線方式，對物理層銜接則應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)MII接口。本實(shí)用新型中，CC2420是一款符合IEEE 802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GHz射頻收發(fā)芯片， 可以提供PHY和一些MAC功能，用來開發(fā)工業(yè)無線傳感及家庭組網(wǎng)等PAN網(wǎng)絡(luò)的ZigBee設(shè) 備和產(chǎn)品。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。它只需極 少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了 IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持 數(shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。利用此芯片開發(fā)的短距離射頻 傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小，適于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性 強(qiáng)等特點(diǎn)。本實(shí)用新型的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。本實(shí)用新型將Antenova云母芯片天線作為 Zigbee射頻收發(fā)器與外界通訊的媒介，而Zigbee射頻收發(fā)器由CC2420芯片來實(shí)現(xiàn)信號的 接收與發(fā)射。CC2420芯片通過一個(gè)4線SPI總線接口和一系列數(shù)字I/O接口與微控制器進(jìn) 行通訊，并接受微控制器(主控單片機(jī))的控制命令，其接口如圖3所示。FIFO和FIFOP狀 態(tài)引腳可用于FIFOs的接收和發(fā)送接口，CCA引腳用于空閑信道評估，SFD引腳用于定時(shí)信 息的設(shè)置。CC2420芯片具有可編程的輸出電源，并且能夠提供一個(gè)可與數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)臄?shù) 字收到信號強(qiáng)度指示器(RSSI)。本實(shí)用新型采用8位8051作為主控芯片來完成Zigbee到 Ethernet的轉(zhuǎn)換，通過全硬件化的TCP/IP協(xié)議棧芯片W3150A+來完成TCP/IP數(shù)據(jù)的處理， 由主控芯片通過地址總線對芯片W3150A+進(jìn)行尋址，并通過數(shù)據(jù)總線與主控單片機(jī)進(jìn)行連 接和數(shù)據(jù)通信。由于以太網(wǎng)PHY沒有集成在W3150A+中，需要一款外部以太網(wǎng)PHY芯片與 此連接，本實(shí)用新型選用Realtek的RTL82018芯片，通過媒體獨(dú)立接口(MII)與W3150A+ 進(jìn)行連接。收到的ZigBee數(shù)據(jù)幀帶有TCP/IP頭，數(shù)據(jù)包將通過互聯(lián)網(wǎng)直接傳送至數(shù)據(jù)庫 服務(wù)器。ZigBee的數(shù)據(jù)幀封裝需要使用TCP/IP報(bào)頭。為了提供一個(gè)高TCP/IP處理速度，采 用硬件化的TCP/IP協(xié)議棧芯片W3150A+進(jìn)行TCP/IP數(shù)據(jù)包處理。圖4為W3150A+的協(xié)議 棧，該芯片集成了如互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)、地址解析協(xié)議(ARP)、互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議(ICMP)、 傳輸控制協(xié)議(TCP)和媒體訪問控制(MAC)等協(xié)議。系統(tǒng)集成方便，不需要操作系統(tǒng)。本實(shí)用新型中還包含一個(gè)5V直流適配器和一個(gè)全向天線，全向天線可用來實(shí)現(xiàn) 無線信號靈敏接收的強(qiáng)大功能。為了評估本實(shí)用新型的性能，對網(wǎng)關(guān)的接收信號強(qiáng)度指示(RSSI)和數(shù)據(jù)包的接 收率(PRR)進(jìn)行了測定和計(jì)算。實(shí)驗(yàn)在室內(nèi)環(huán)境中部署實(shí)施，上述兩個(gè)參數(shù)的測量范圍達(dá) 35米。PRR記錄和計(jì)算后，每一個(gè)地方進(jìn)行1000包的傳輸。RSSI的是1000的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)钠骄?。圖5給出了在各個(gè)不同位置的距離達(dá)到35米的網(wǎng)關(guān)的平均RSSI。圖6為在不 同的RSSI的網(wǎng)關(guān)平均PRR。由圖5可知，RSSI的平均值大于-70dBm時(shí)，通信距離小于11米；圖6結(jié)果表明， PRR大于99. 5%，而更大的RSSI值大約為-70dBm。因此，本實(shí)用新型的PRR大于99. 5%, 而在傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)通訊距離不超過11米。實(shí)施本實(shí)用新型能夠提供可靠的短距離無 線通信。硬件化的TCP/IP芯片能夠提供20Mbps的可靠的TCP數(shù)據(jù)傳輸，并支持了總帶寬 32kbps的網(wǎng)關(guān)。本實(shí)用新型具有以下特點(diǎn)(1)價(jià)格便宜、開發(fā)簡單本實(shí)用新型采用一種硬件協(xié)議棧芯片W3150A+，該芯片提供了一種簡單、經(jīng)濟(jì)的高 速連接互聯(lián)網(wǎng)上各種數(shù)字設(shè)備的解決方案，應(yīng)用此大規(guī)模集成芯片于系統(tǒng)中可完全卸載網(wǎng) 絡(luò)協(xié)議所需的負(fù)荷，減輕軟件開發(fā)的開支。(2)使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)無縫連接Zigbee是全球無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要標(biāo)準(zhǔn)，是具有很好兼容性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本實(shí)用新型采用Zigbee技術(shù)設(shè)計(jì)以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，ZigBee的數(shù)據(jù)幀封裝使用 TCP/IP報(bào)頭，并采用硬件化的TCP/IP協(xié)議棧芯片W3150A+進(jìn)行TCP/IP數(shù)據(jù)包的高速處理， 能夠?qū)崿F(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的無縫連接與通訊。(3)可以遠(yuǎn)程讀取無線節(jié)點(diǎn)本實(shí)用新型的Zigbee射頻收發(fā)器由CC2420芯片來實(shí)現(xiàn)信號的接收與發(fā)射，并配 備了一個(gè)全向天線，全向天線可用來實(shí)現(xiàn)無線信號靈敏接收的強(qiáng)大功能，可以遠(yuǎn)程讀取無 線節(jié)點(diǎn)。上述對實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本實(shí)用 新型。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說明 的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本實(shí)用新型不限于這里 的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本實(shí)用新型的揭示，對于本實(shí)用新型做出的改進(jìn)和修改都 應(yīng)該在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于該以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)包括Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以太網(wǎng)PHY芯片以及供電與電源管理模塊，所述Zigbee收發(fā)器通過4線SPI總線接口與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述TCP/IP協(xié)議棧芯片通過數(shù)據(jù)和地址總線與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述外部以太網(wǎng)PHY芯片通過媒體獨(dú)立接口MII與TCP/IP協(xié)議棧芯片連接；所述供電與電源管理模塊分別與Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以太網(wǎng)PHY芯片連接并為其提供電源。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所述 Zigbee收發(fā)器包括天線、無線射頻芯片、射頻電路以及晶振電路；所述天線與射頻電路連 接；所述射頻電路和晶振電路分別與無線射頻芯片連接。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所 述微控制器包括主程序控制芯片以及與主程序控制芯片連接的存取電路和串口通信電路。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所述 TCP/IP協(xié)議棧芯片為W3150A+。
5.如權(quán)利要求3所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所述主 程序控制芯片采用8位8051芯片。
6.如權(quán)利要求2所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所述無 線射頻芯片為CC2420。
7.如權(quán)利要求2所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所述天 線為全向天線。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，其特征在于所述 TCP/IP協(xié)議棧芯片集成了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP、地址解析協(xié)議ARP、互聯(lián)網(wǎng)控制消息協(xié)議ICMP、傳 輸控制協(xié)議TCP和媒體訪問控制MAC。
專利摘要本實(shí)用新型一種基于Zigbee技術(shù)的以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)，該以太網(wǎng)無線網(wǎng)關(guān)包括Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以太網(wǎng)PHY芯片以及供電與電源管理模塊，所述Zigbee收發(fā)器通過4線SPI總線接口與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述TCP/IP協(xié)議棧芯片通過數(shù)據(jù)和地址總線與微控制器連接并進(jìn)行通信；所述外部以太網(wǎng)PHY芯片通過媒體獨(dú)立接口MII與TCP/IP協(xié)議棧芯片連接；所述供電與電源管理模塊分別與Zigbee收發(fā)器、微控制器、TCP/IP協(xié)議棧芯片、外部以太網(wǎng)PHY芯片連接并為其提供電源。該網(wǎng)關(guān)采用全硬件化的TCP/IP協(xié)議棧芯片W3150A+來完成TCP/IP數(shù)據(jù)的處理，通過數(shù)據(jù)/地址總線與主控單片機(jī)相連，充分保證數(shù)據(jù)的處理速度。更節(jié)省了單片機(jī)的I/O接口開支。
文檔編號H04L29/06GK201657338SQ20102010209
公開日2010年11月24日 申請日期2010年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者康琦, 曲毅, 郝進(jìn)偉, 陳海峰 申請人:煙臺毅康電子科技有限公司