金 純，任 濤，王 曉

(1.重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶 400065;2.重慶廣播電視集團(總臺)，重慶 400015)

伴隨著ZigBee技術在無線傳感器網(wǎng)絡的廣泛應用和TD－SCDMA在我國的蓬勃發(fā)展，控制中心如何利用TD－SCDMA網(wǎng)絡對ZigBee構(gòu)成的網(wǎng)絡進行遠程管理，控制感測環(huán)境中的各種傳感器裝置，逐漸成為該領域的一個重要課題。由于ZigBee和TD－SCDMA的協(xié)議不同，以至于數(shù)據(jù)在這兩個網(wǎng)絡之間無法進行透明傳輸。因此，設計了ZigBee/TDSCDMA網(wǎng)關用于解決上述問題，使得ZigBee節(jié)點采集的數(shù)據(jù)能夠通過TD－SCDMA網(wǎng)絡遠程及時地發(fā)送出去，同時監(jiān)控中心也可以向ZigBee節(jié)點發(fā)送控制命令。

1 網(wǎng)關系統(tǒng)概述

網(wǎng)關是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常連接兩個或多個不同的網(wǎng)絡，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包，利用用戶編寫的應用程序，在轉(zhuǎn)發(fā)之前，將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成另一種協(xié)議的格式，設計的網(wǎng)關協(xié)議模型如圖1所示［1］。

1.1 硬件設計思想

該網(wǎng)關采用ARM處理器作為網(wǎng)關的主系統(tǒng)，CC2430以ZigBee協(xié)議為基礎，在網(wǎng)關與ZigBee路由節(jié)點和終端節(jié)點之間接收數(shù)據(jù)通信，TD－SCDMA模塊用于將ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心以及從控制中心接收命令，系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］。

如圖所示，ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關由若干硬件單元構(gòu)成。ARM處理器是ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關的控制核心，ARM處理器(LPC2214)與ZigBee模塊(CC2430)通過串口相連，如圖3所示［3］，ZigBee模塊通過射頻接口與天線相連，天線用于收發(fā)無線信號。RAM 通過地址數(shù)據(jù)總線與ARM處理器相連，F(xiàn)lash通過地址數(shù)據(jù)總線與ARM處理器相連，用于存儲數(shù)據(jù)信息。ARM處理器的另一端通過串口與TD－SCDMA模塊相連，同時，TD－SCDMA模塊連接TD－SCDMA天線，用于收發(fā)無線信號。ZigBee模塊與ZigBee節(jié)點通過無線方式通信;TD－SCDMA模塊與TD－SCDMA網(wǎng)絡通過無線方式通信。

圖3 CC2430與LPC2214關鍵引腳連接圖(截圖)

如圖3所示，ZigBee模塊與LPC2214通過串口進行數(shù)據(jù)的傳輸，其中ZigBee模塊與LPC2214通過RXD和TXD兩個引腳進行連接，由于LPC2214沒有RTS和CTS兩個引腳，所以在進行數(shù)據(jù)傳輸之前，要通過AT指令將ZigBee模塊設置成無流控的形式，然后就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸。

1.2 ZigBee/TD－SCDMA 網(wǎng)關的工作過程

圖2中，在網(wǎng)關內(nèi)部，當沒有ZigBee節(jié)點接入時，TD－SCDMA模塊與服務器斷開連接;當有ZigBee節(jié)點需要接入時，網(wǎng)關先建立ZigBee節(jié)點與ZigBee模塊之間的連接，再建立TD－SCDMA模塊與TD－SCDMA服務器之間的連接。

ZigBee模塊建立連接時，ZigBee節(jié)點先通過ZAO查詢網(wǎng)關的服務信息，再通過ZDO發(fā)出連接要求，APS負責上層應用程式物件與下層網(wǎng)絡層的協(xié)調(diào)，NWK負責找尋并維護節(jié)點間的繞徑路線并傳送封裝包到目標節(jié)點［4］。TD－SCDMA模塊建立連接時，通過AT指令控制連接TD－SCDMA網(wǎng)絡(包括PHY層、MAC 層、RLC 層、PDCP層等)，之后通過PPP協(xié)議與服務器進行連接，獲取IP地址等參數(shù)。

1.3 ZigBee/TD－SCDMA的處理過程

網(wǎng)關中的ZigBee模塊可以是兩種設備類型，協(xié)調(diào)器或路由器。在該網(wǎng)關中，ZigBee模塊設計為協(xié)調(diào)器。網(wǎng)關將提取ZigBee節(jié)點發(fā)送過來的有效數(shù)據(jù)，將其使用TCP/IP封裝后再通過TD－SCDMA模塊發(fā)送到終端客戶;同時，網(wǎng)關也將提取終端客戶發(fā)送過來的通過TCP/IP協(xié)議封裝的有效數(shù)據(jù)，將這些有效數(shù)據(jù)封裝到ZigBee協(xié)議中，然后通過 ZigBee模塊發(fā)送給 ZigBee節(jié)點。

網(wǎng)關實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議客戶端及服務端兩種角色。做客戶端使用時，網(wǎng)關會利用TCP/IP協(xié)議主動連接預先定義的終端客戶的IP地址及端口號，完成Socket連接;作為服務端使用時，網(wǎng)關將通過TD－SCDMA模塊申請到的IP地址注冊到動態(tài)域名中，并且會在某個預定義的端口上進行Socket監(jiān)聽，這樣，終端客戶就可以通過動態(tài)域名知道網(wǎng)關的IP地址，并且連接到網(wǎng)關預定義的端口上，完成Socket連接。在客戶端或服務端的Socket連接完成之后，就可以在這個Socket與ZigBee協(xié)議之間轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)了。

2 網(wǎng)關軟件設計思想

ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關的軟件設計主要包括兩個方面:CC2430和ARM處理器，下面詳細地介紹CC2430和ARM處理器的軟件設計。

2.1 CC2430 的軟件設計

CC2430的軟件設計主要依據(jù)于z－stack，它分別由ZigBee協(xié)議棧、ZigBee應用、硬件支持包組成。

CC2430在充當接收和發(fā)送器的時候，它只負責對數(shù)據(jù)進行接收和發(fā)送，而不對數(shù)據(jù)進行任何的處理。在網(wǎng)關中，CC2430充當協(xié)調(diào)器，主要負責將ZigBee節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到ARM處理器中，同時CC2430還要建立網(wǎng)絡和維護網(wǎng)絡。在對CC2430進行軟件設計的過程中，首先對硬件部分進行初始化，然后建立PAN標識符，廣播地址ID等，并且協(xié)調(diào)器會保持對網(wǎng)絡節(jié)點的監(jiān)控狀態(tài)，當協(xié)調(diào)器接收到信號的時候，首先判斷這個信號是否來自于一個新節(jié)點，如果是一個新節(jié)點，并且要加入到網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)器會分配一個16位短地址到這個新節(jié)點中;如果不是，協(xié)調(diào)器就會將這個數(shù)據(jù)包(信號)通過UART引腳直接傳到ARM處理器中。協(xié)調(diào)器的流程圖如圖4所示［5］。

圖4 協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)流程圖

協(xié)調(diào)器在接收與發(fā)送數(shù)據(jù)之前，首先要與ZigBee節(jié)點組成ZigBee網(wǎng)絡，以便把ZigBee節(jié)點采集的數(shù)據(jù)匯聚起來，組建網(wǎng)絡是通過zg_aplFormNetwork()函數(shù)來完成的，在組成網(wǎng)絡之后，等待其他節(jié)點的加入。

網(wǎng)絡組建成之后，就要從ZigBee節(jié)點去接收信號，信號分為兩種:一種是要加入網(wǎng)絡的信號，一種是ZigBee節(jié)點采集的數(shù)據(jù)。當協(xié)調(diào)器監(jiān)測到信號時，協(xié)調(diào)器將接收到的原語傳輸?shù)骄W(wǎng)絡層，網(wǎng)絡層判斷該節(jié)點是否為已連接的設備，如果是，則通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)，否則，給要加入的設備分配短地址。

2.2 ARM處理器的軟件設計

ARM處理器是實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與TD－SCDMA網(wǎng)絡的透明傳輸?shù)年P鍵系統(tǒng)，將ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成TD－SCDMA協(xié)議，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，同時能夠?qū)D－SCDMA協(xié)議轉(zhuǎn)換成ZigBee協(xié)議，向ZigBee節(jié)點發(fā)送控制命令。

ARM處理器首先初始化硬件，然后打開中斷和接收數(shù)據(jù)包，并且對其分析和處理，流程圖如圖5所示［6］。

圖5 ARM處理器處理數(shù)據(jù)的流程圖

由于打開了中斷，所以處理器在處理數(shù)據(jù)的過程中有時會發(fā)生中斷或異常中斷，在進入中斷程序之前，必須保存當前所有的值，而后在進入到中斷處理程序中，首先處理器會將中斷標志位清零，然后對相關的寄存器進行一系列的設置，當處理完成后返回中斷節(jié)點處，繼續(xù)運行。

為了改進系統(tǒng)的實時性、增強實時性能和簡化系統(tǒng)的應用程序，移植μC/OS－Ⅱ嵌入式操作系統(tǒng)到LPC2214中，LPC2214的整個軟件模型如圖6所示［7］。

圖6 LPC2214軟件模型

LPC2214中的軟件模型主要包括2個任務和串口接收中斷的子程序，這2個主要任務就是zigbeetask()和td－scdmatask()，這兩個任務主要是對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。當串口在中斷的子程序中接收完了所有的數(shù)據(jù)，根據(jù)接收的方向，發(fā)送zigbeeqflag或td－scdmaqflag進行激活zigbeetask()或td－scdmatask()任務。

在這里，特別強調(diào)一點，當LPC2214串口接收到的數(shù)據(jù)長度大于LPC2214串口能夠接收到的最大數(shù)據(jù)長度時，為了便于用中斷方式接收處理，在串口初始化的函數(shù)中，應該同時打開接收數(shù)據(jù)(RDA)中斷和字符超時指示中斷(CTI)。

2.3 傳輸數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心與采集中心之間的數(shù)據(jù)交流是以幀的形式傳輸?shù)?。在通信的過程中，為了使雙方能夠?qū)邮盏降臄?shù)據(jù)進行及時的傳輸、解析，整個系統(tǒng)要應用確定的幀格式。

在煤礦定位系統(tǒng)中，為了確保數(shù)據(jù)能夠及時傳輸，網(wǎng)關需要設計通信協(xié)議的幀格式，包括采集中心發(fā)送的數(shù)據(jù)幀和監(jiān)控中心發(fā)送的命令幀，但由于數(shù)據(jù)幀和命令幀的數(shù)據(jù)長度不同，以及能夠使網(wǎng)關更迅速地處理數(shù)據(jù)，命令幀和數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)構(gòu)如表1所示［7］。

表1 數(shù)據(jù)幀和命令幀的幀結(jié)構(gòu) byte

2.4 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件原理

ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關主要實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡與TD－SCDMA網(wǎng)絡的雙向傳輸，下面簡單地介紹從ZigBee往TD－SCDMA的傳輸過程。當ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關從ZigBee節(jié)點中接收到數(shù)據(jù)時，ZigBee模塊將接收到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM處理器，ARM處理器對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，去掉ZigBee協(xié)議棧頭，提取有用的數(shù)據(jù)載荷，然后加上TD－SCDMA的協(xié)議棧頭，具體過程如下:去掉Zig-Bee PHY頭幀→去掉ZigBee MAC頭幀→去掉ZigBee NWK頭幀→添加TCP頭幀→添加TD－SCDMA IP頭幀→添加TD－SCDMA PPP頭幀→添加TD－SCDMA PDCP頭幀→添加TD－SCDMA RLC頭幀→添加TD－SCDMA MAC頭幀→添加TD－SCDMA PHY頭幀。從TD－SCDMA向Zig-Bee傳輸數(shù)據(jù)的處理過程相反［6］，對ZigBee模塊傳送過來的數(shù)據(jù)處理流程圖如圖7所示。

圖7 對從ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送的數(shù)據(jù)處理流程圖

由于從TD－SCDMA網(wǎng)絡發(fā)送過來的數(shù)據(jù)處理的原理與其相反。就不在此敘述。

ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關內(nèi)部的分組轉(zhuǎn)換圖如圖8所示［1］。

圖8 網(wǎng)關內(nèi)部的分組轉(zhuǎn)換圖

3 結(jié)束語

本論文采用ZigBee模塊和TD－SCDMA模塊為基本的傳輸模塊，以LPC2214為核心設備，設計了無線傳感網(wǎng)絡網(wǎng)關，兼顧了ZigBee短距離無線通信和TD－SCDMA遠距離傳輸?shù)母髯詢?yōu)點。ZigBee/TD－SCDMA網(wǎng)關結(jié)合兩個網(wǎng)絡來完成數(shù)據(jù)的遠程傳輸，同時詳細地闡述了網(wǎng)關的硬件和軟件設計，使得網(wǎng)關能夠可靠地運行，能夠?qū)⑿枰獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)及時地傳送出去。

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