一種ZigBee以太網(wǎng)網(wǎng)關的設計

摘要 基于物聯(lián)網(wǎng)中應用廣泛的ZigBee技術，設計的ZigBee以太網(wǎng)網(wǎng)關為物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸搭建了橋梁。闡述了網(wǎng)關軟硬件設計和測試過程，測試結果表明，設計的網(wǎng)關具有較強的技術優(yōu)勢和廣闊的市場前景。
關鍵詞 ZigBee；以太網(wǎng)；網(wǎng)關；物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)，即物物相連的網(wǎng)絡，目前已廣泛應用于公共安全、智能交通、智能樓宇和環(huán)境監(jiān)測等眾多領域。ZigBee是一種低速率、低功耗、網(wǎng)絡容量大、節(jié)點間能夠進行群體協(xié)作，網(wǎng)絡具有很強自愈能力的無線通信技術，在物聯(lián)網(wǎng)應用中得到了廣泛使用。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和推廣，解決物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間的異構互聯(lián)，在物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)之間建立一個透明的數(shù)據(jù)傳輸通道，為現(xiàn)場非IP物聯(lián)網(wǎng)設備接入IP網(wǎng)絡提供技術保證，也將成為物聯(lián)網(wǎng)技術研究的熱點和重點。

1 硬件設計
1．1 網(wǎng)關硬件架構
網(wǎng)關硬件架構由LM3S6911微處理器單元、系統(tǒng)電源單元電路、JTAG接口單元電路、RS232接口單元電路、以太網(wǎng)接口單元電路和ZigBee射頻模塊組成，網(wǎng)關硬件架構如圖1所示。由于ZigBee射頻電路需要進行2．4 GHz射頻電路設計，因此把ZigBee射頻電路部分進行了獨立設計，射頻電路板通過排針與主控板相連接。

1．2 主控板電路設計
主控板設計選用高性能、低成本ARM Cortex—M3嵌入式微處理器LM36911，其內(nèi)置一個完全集成了媒體訪問控制層(MAC)和網(wǎng)絡物理層(PHY)的10／100 MHz以太網(wǎng)控制器，遵循IEEE802．3協(xié)議規(guī)范，MAC層提供以太網(wǎng)幀的發(fā)送和接收處理，PHY層只需要一個雙路1：1隔離變壓器就能夠與以太網(wǎng)線路連接。設計中使用內(nèi)置磁性隔離變壓器的RJ45以太網(wǎng)連接器HR911105A與LM3S6911處理器的PHY直接相連，使得以太網(wǎng)外圍接口電路簡單、抗干擾能力強，主控板電路設計如圖2所示。

LM3S6911同時提供兩個同步串行接口(SSI)和3個通用異步收發(fā)器(UART)，設置SSI0為SPI接口，通過SPI總線與ZigBee射頻模塊相連接。由于ZigBee以太網(wǎng)網(wǎng)關需要對其進行參數(shù)配置后才能正常工作，設計使用LM3S6911的UART0作為配置串行端口。
1．3 射頻模塊電路設計
ZigBee射頻模塊電路選用TI公司的2．4 GHz IEEE802．15．4和ZigBee應用片上系統(tǒng)解決方案專用芯片CC2530，CC2530能夠以較低的成本構建強大的ZigBee無線網(wǎng)絡，內(nèi)置了性能優(yōu)良的IEE 802．15．4兼容無線射頻收發(fā)器和業(yè)界標準的增強型8051 CPU內(nèi)核。
為增強ZigBee射頻模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度，在射頻電路設計中增加了2．4 GHz射頻前端芯片CC2591，CC2591內(nèi)置了功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)，使輸出功率可達22 dBm，接收靈敏度可達-98．8 dBm，擴展了ZigBee無線射頻信號的傳輸距離。
CC2530的RF輸入輸出為高阻抗差分信號，CC2591除了內(nèi)置PA、LNA和RF開關電路外，還內(nèi)置了巴倫電路和RF匹配網(wǎng)絡，這使得在配合少量的外圍被動器件，能夠與CC2530進行良好的RF匹配，簡化了無線射頻電路設計，降低了射頻電路中由于被動器件參數(shù)誤差造成的無線信號衰減，射頻模塊電路設計如圖3所示。

為達到最佳射頻性能，CC2591電源引腳AVDD_PA1、AVDD_PA2和AVDD_LNA電源去耦器件C6、C7、C8、L3、L4、TL1、TL2和TL3必須被使用，其中TL1、TL2和TL3為PCB走線感抗等效值，近似值分別為TL1=0．66 nH，TL2=0．87 nH，TL3=2．52 nH，C5對AVDD_BIAS進行去耦。
CC2591的射頻輸出引腳通過L5、C9、C10、C11和L6組成的網(wǎng)絡與外接50 Ω天線進行阻抗匹配，其中L5和C9組成濾波網(wǎng)絡進行濾波，C10起隔直作用，C11進行高頻濾波，L6進行低頻濾波。
ZigBee在24 GHz頻段最大傳輸速率是250kbit·s-1，設計中射頻模塊通過CC2530的SPI接口與主控板相連接，可滿足ZigBee的數(shù)據(jù)傳輸速率要求。