基于系統芯片SOC的NOC通信組網技術應用研究

王 娜 尹向東 楊振南 張 彬

基于系統芯片SOC的NOC通信組網技術應用研究

王 娜1尹向東2楊振南2張 彬2

（1.湖南科技學院 傳媒學院；2.湖南科技學院 電子與信息工程學院，湖南 永州 425199）

新一代SOC能在單芯片上集成完整的電子系統，NOC是全新的片上網絡結構集成電路，其分布式的設計特點在農業物聯網領域取得了很好的應用，本文使用CC2530芯片作為Zigbee通信模塊建立無線傳感器網絡，有效的提高了分時通信效率，降低了分布式網絡節點全局同步時的能量消耗。

農業物聯網；系統芯片；片上網絡芯片；Zigbee

系統芯片（System-on-Chip，SoC）包含有嵌入式的處理器，能在單個芯片上集成一個完整的電子系統，一般包括中央處理器(CPU)、存儲器、總線及外圍電路等[1]。片上網絡芯片(Network-on-Chip，NoC)是研究人員借鑒計算機網絡的思想，將計算機網絡技術移植到芯片設計中，提出全新的集成電路網絡結構，很好的解決了系統擴展時產生的地址空間的問題，可以有效提高分時通信效率，同時能夠降低分布式網絡中多節點同步時的能量消耗功耗和面積問題。

由于 NoC 具有良好的擴展性、可以預測的延遲、較高的帶寬、可重用性等優點，因此，NoC 被認為是一種有前景的片上互連解決方案[1]。CC2530芯片是2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee應用的一個NOC解決方案，它的顯著優點就是用很低的功耗來建立一個分布式網絡，本文使用CC2530芯片在農業物聯網領域進行應用研究，獲得了很好的效果。

1 基于NOC的Zigbee網絡

1.1 硬件開發平臺

本文的Zigbee模塊采用自主研發的基于CC2530芯片的Zigbee通信模塊，Zigbee無線通信是用來組建無線局域網的，以實現傳感器、執行器和ARM網關之間的實時通信。與其他無線通信方式如WIFI、藍牙相比，Zigbee無線通信具有網絡節點數多、規模大、功耗低、性價比高等特點，CC2530最小系統電路圖實物圖[1]如圖1所示：

圖1 CC2530最小系統電路圖

本文的協調器節點通過串口與ARM網關連接，用來接收終端結點發送的數據。終端節點與傳感器或者執行器相連接，與傳感器相連的Zigbee模塊，把采集的數據發送給ARM網關，ARM網關再把數據上傳到服務器。與執行器相連的Zigbee模塊，用來接收ARM網關發送的命令，再通過繼電器來實現對執行器的控制，安裝了路由器的終端節點將數據轉發給其他節點，從而擴展到網絡整個拓撲結構[2]。

本文的Zigbee網絡節點的上電必須要嚴格按照先后順序。首先是先上電協調器節點，然后再上電路由器結點，最后上電終端結點。協調器上電并創建好網絡后，會同時點亮黃燈和藍燈，如果有接收到數據會黃燈和藍燈同時閃爍；路由器上電并加入到網絡后會點亮藍燈；終端結點上電并加入網絡后會點亮黃燈，如果發送數據會黃燈閃爍，如果接收到數據會藍燈閃爍。

1.2 Zigbee節點間通信協議

在Zigbee網絡中，每個Zigbee節點之間發送的數據都是以數據幀為單位。每個數據幀固定長度為21個字節，本協議參照了PPP點對點協議，有效的避免了數據內容與包頭(0x7E)相同的沖突，也防止了個別數據幀的數據丟失和失真，對后序數據幀的產生影響。其中的命令類型號、Zigbee設備號、數據類型號采用枚舉類型定義，可以更加有效方便的使用和更改。

2 Zigbee網絡通信組網技術應用

2.1 Zigbee網絡的傳感器的數據采集

本文要實現對環境中的溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、土壤濕度等數據進行精確采集，所對應的傳感器分別為GY39模塊、485型CO2檢測模塊、土壤濕度檢測模塊。

1)GY39模塊

GY-39具有成本低、功耗小，安裝方便等特點，是一種廣泛用于測量氣壓、溫度、濕度、光強度傳感器的模塊。GY-39模塊集成了MCU（微控制單元），將各種傳感器數據統一收集和處理，然后輸出結果。GY-39模塊的適用性很高，可以與單片機及電腦直接連接，針對不同的工作環境，可以選用兩種方式讀取數據，即串口UART和 IIC（2線），模塊還可以作為簡單傳感器模塊來單獨工作，不使用MCU處理數據[3]。

2)485型CO2檢測模塊

農業大棚中需要進行CO2監測，我們選用了485型CO2檢測模塊，該模塊中輸入電源、感應探頭及信號輸出等部分是完全分開的，互不干擾，因此氣體探頭的檢測靈敏度很高[4]。

3)土壤濕度傳感器模塊

本文用的土壤濕度傳感器是一款比較常用的土壤濕度傳感器，工作的原理是使用電位器調節來控制相應閾值，但檢測的濕度比設定值低的時候，D0端口輸出高電平，當檢測的濕度比設定值高的時候，D0端口則會輸出低電平，從而達到較寬范圍內控制土壤濕度的要求。

該模塊比較器采用LM393芯片，工作電壓為3.3～5 V，A0輸出模擬量，可與單片機連接，進行AD轉換。模塊在空氣中的模擬量輸出大概在2700左右，且供電要選擇2端口，不能選擇1端口，否則可能導致輸出的模擬量不穩定。

2.2 Zigbee網絡控制與終端節點安裝

1)Zigbee網絡控制

本文所需要控制的執行器有補光燈、加濕器、遮陽簾。解決方案是通過固態繼電器來實現弱電控制強電,充當一個開關的功能。

2)Zigbee終端節點連線安裝

本文的Zigbee局域網絡結構復雜，其中終端節點既要連接傳感器又要連接執行器，還要用電池盒供電。我們在安裝時必須要仔細認真的進行連線安裝，其中串行通信接口用于連接GY39模塊和CO2濃度檢測模塊；ADC輸入端口用于連接土壤濕度傳感器；繼電器1輸出端口用于補光燈、加濕器、排風扇、遮陽簾電機正轉的控制；繼電器2輸出端口用于遮陽簾電機的反轉控制。

3　結束語

本系統在蔬菜大棚進行了現場測試。為了能夠在測試時把Zigbee模塊順利安裝在大棚內不同位置的土壤中，把Zigbee檢測電路安裝在一個封閉的塑料殼內，在殼外安裝電源開關，留出天線安裝孔。然后把塑料殼固定在不銹鋼管上，土壤濕度傳感探頭通過電纜引導不銹鋼管的端頭。安裝時，把不銹鋼插入土中固定，再把濕度探頭埋入需要檢測的土壤中。

經過測試證明，4G信號接入正常，Zigbee網絡通信各項數據測量正常，系統運行良好。

[1]周小鋒.片上網絡高效路由關鍵技術研究[D].西安電子科技大學,2020.

[2]韓濤,陳闖,李石榮.基于無線傳感器網絡的智能溫度監控系統設計[J].電子世界,2017(1):180-183.

[3]黃悅華,史振利,胡智瑩,李騰,魏業文.基于LabVIEW的交通信號燈工作狀態智能監測系統研究[J].現代電子技術, 2020,43(16):34-38.

[4]周兵,趙景輝,宋艷麗.基于Labview的大棚溫室環境因子測試與控制系統[J].農業網絡信息,2017,243(1):77-84.

TP319

A

1673-2219（2021）03-0058-02

2020-01-26

永州市2019年指導性科技計劃項目（項目編號2019-yzkj-10）；2020年度湖南科技學院科學研究項目（項目編號20XKY057）；湖南省2019年大學生創新創業大學生能力培養項目（湘科人〔2019〕9號）；2017年湖南省科技廳重點研發項目（項目編號2017NK2391）。

王娜（1988－），女，吉林遼源人，助理實驗師，研究方向為物聯網及云計算。

（責任編校：文春生）