基于ARM處理器的ZigBee/TD－SCDMA網關設計

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絡的廣泛應用和TD－SCDMA在我國的蓬勃發展，控制中心如何利用TD－SCDMA網絡對ZigBee構成的網絡進行遠程管理，控制感測環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的協議不同，以至于數據在這兩個網絡之間無法進行透明傳輸。因此，設計了ZigBee/TDSCDMA網關用于解決上述問題，使得ZigBee節點采集的數據能夠通過TD－SCDMA網絡遠程及時地發送出去，同時監控中心也可以向ZigBee節點發送控制命令。

1 網關系統概述

網關是建立在傳輸層以上的協議轉換器，通常連接兩個或多個不同的網絡，每接收一種協議的數據包，利用用戶編寫的應用程序，在轉發之前，將該數據包轉換成另一種協議的格式，設計的網關協議模型如圖1所示［1］。

1.1 硬件設計思想

該網關采用ARM處理器作為網關的主系統，CC2430以ZigBee協議為基礎，在網關與ZigBee路由節點和終端節點之間接收數據通信，TD－SCDMA模塊用于將ZigBee節點的數據發送到控制中心以及從控制中心接收命令，系統硬件的總體結構如圖2所示［2］。

如圖所示，ZigBee/TD－SCDMA網關由若干硬件單元構成。ARM處理器是ZigBee/TD－SCDMA網關的控制核心，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，天線用于收發無線信號。RAM 通過地址數據總線與ARM處理器相連，Flash通過地址數據總線與ARM處理器相連，用于存儲數據信息。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，用于收發無線信號。ZigBee模塊與ZigBee節點通過無線方式通信;TD－SCDMA模塊與TD－SCDMA網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通過串口進行數據的傳輸，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，所以在進行數據傳輸之前，要通過AT指令將ZigBee模塊設置成無流控的形式，然后就可以進行數據的傳輸。

1.2 ZigBee/TD－SCDMA 網關的工作過程

圖2中，在網關內部，當沒有ZigBee節點接入時，TD－SCDMA模塊與服務器斷開連接;當有ZigBee節點需要接入時，網關先建立ZigBee節點與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節點先通過ZAO查詢網關的服務信息，再通過ZDO發出連接要求，APS負責上層應用程式物件與下層網絡層的協調，NWK負責找尋并維護節點間的繞徑路線并傳送封裝包到目標節點［4］。TD－SCDMA模塊建立連接時，通過AT指令控制連接TD－SCDMA網絡(包括PHY層、MAC 層、RLC 層、PDCP層等)，之后通過PPP協議與服務器進行連接，獲取IP地址等參數。

1.3 ZigBee/TD－SCDMA的處理過程

網關中的ZigBee模塊可以是兩種設備類型，協調器或路由器。在該網關中，ZigBee模塊設計為協調器。網關將提取ZigBee節點發送過來的有效數據，將其使用TCP/IP封裝后再通過TD－SCDMA模塊發送到終端客戶;同時，網關也將提取終端客戶發送過來的通過TCP/IP協議封裝的有效數據，將這些有效數據封裝到ZigBee協議中，然后通過 ZigBee模塊發送給 ZigBee節點。

網關實現TCP/IP協議客戶端及服務端兩種角色。做客戶端使用時，網關會利用TCP/IP協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，網關將通過TD－SCDMA模塊申請到的IP地址注冊到動態域名中，并且會在某個預定義的端口上進行Socket監聽，這樣，終端客戶就可以通過動態域名知道網關的IP地址，并且連接到網關預定義的端口上，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協議之間轉發數據了。

2 網關軟件設計思想

ZigBee/TD－SCDMA網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于z－stack，它分別由ZigBee協議棧、ZigBee應用、硬件支持包組成。

CC2430在充當接收和發送器的時候，它只負責對數據進行接收和發送，而不對數據進行任何的處理。在網關中，CC2430充當協調器，主要負責將ZigBee節點的數據轉發到ARM處理器中，同時CC2430還要建立網絡和維護網絡。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，并且協調器會保持對網絡節點的監控狀態，當協調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點，如果是一個新節點，并且要加入到網絡中，協調器會分配一個16位短地址到這個新節點中;如果不是，協調器就會將這個數據包(信號)通過UART引腳直接傳到ARM處理器中。協調器的流程圖如圖4所示［5］。

圖4 協調器接收數據流程圖

協調器在接收與發送數據之前，首先要與ZigBee節點組成ZigBee網絡，以便把ZigBee節點采集的數據匯聚起來，組建網絡是通過zg_aplFormNetwork()函數來完成的，在組成網絡之后，等待其他節點的加入。

網絡組建成之后，就要從ZigBee節點去接收信號，信號分為兩種:一種是要加入網絡的信號，一種是ZigBee節點采集的數據。當協調器監測到信號時，協調器將接收到的原語傳輸到網絡層，網絡層判斷該節點是否為已連接的設備，如果是，則通過串口發送數據，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ZigBee網絡與TD－SCDMA網絡的透明傳輸的關鍵系統，將ZigBee協議轉換成TD－SCDMA協議，實現數據的遠距離傳輸，同時能夠將TD－SCDMA協議轉換成ZigBee協議，向ZigBee節點發送控制命令。

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

圖5 ARM處理器處理數據的流程圖

由于打開了中斷，所以處理器在處理數據的過程中有時會發生中斷或異常中斷，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點處，繼續運行。

為了改進系統的實時性、增強實時性能和簡化系統的應用程序，移植μC/OS－Ⅱ嵌入式操作系統到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據進行處理。當串口在中斷的子程序中接收完了所有的數據，根據接收的方向，發送zigbeeqflag或td－scdmaqflag進行激活zigbeetask()或td－scdmatask()任務。

在這里，特別強調一點，當LPC2214串口接收到的數據長度大于LPC2214串口能夠接收到的最大數據長度時，為了便于用中斷方式接收處理，在串口初始化的函數中，應該同時打開接收數據(RDA)中斷和字符超時指示中斷(CTI)。

2.3 傳輸數據的幀結構

監控中心與采集中心之間的數據交流是以幀的形式傳輸的。在通信的過程中，為了使雙方能夠對接收到的數據進行及時的傳輸、解析，整個系統要應用確定的幀格式。

在煤礦定位系統中，為了確保數據能夠及時傳輸，網關需要設計通信協議的幀格式，包括采集中心發送的數據幀和監控中心發送的命令幀，但由于數據幀和命令幀的數據長度不同，以及能夠使網關更迅速地處理數據，命令幀和數據幀的幀結構如表1所示［7］。

表1 數據幀和命令幀的幀結構 byte

2.4 協議轉換軟件原理

ZigBee/TD－SCDMA網關主要實現ZigBee網絡與TD－SCDMA網絡的雙向傳輸，下面簡單地介紹從ZigBee往TD－SCDMA的傳輸過程。當ZigBee/TD－SCDMA網關從ZigBee節點中接收到數據時，ZigBee模塊將接收到的數據傳輸到ARM處理器，ARM處理器對接收到的數據進行處理，去掉ZigBee協議棧頭，提取有用的數據載荷，然后加上TD－SCDMA的協議棧頭，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傳輸數據的處理過程相反［6］，對ZigBee模塊傳送過來的數據處理流程圖如圖7所示。

圖7 對從ZigBee網絡發送的數據處理流程圖

由于從TD－SCDMA網絡發送過來的數據處理的原理與其相反。就不在此敘述。

ZigBee/TD－SCDMA網關內部的分組轉換圖如圖8所示［1］。

圖8 網關內部的分組轉換圖

3 結束語

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，設計了無線傳感網絡網關，兼顧了ZigBee短距離無線通信和TD－SCDMA遠距離傳輸的各自優點。ZigBee/TD－SCDMA網關結合兩個網絡來完成數據的遠程傳輸，同時詳細地闡述了網關的硬件和軟件設計，使得網關能夠可靠地運行，能夠將需要傳輸的數據及時地傳送出去。

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