LPC1227的远距离ZigBee无线网关设计

LPC1227的远距离ZigBee无线网关设计

       物联网被称为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。它代表了下一代信息发展技术，被世界各国当作应对国际金融危机、振兴经济的重点技术领域。

       物联网分为感知层、网络层、应用层，而无线网关节点则是实现感知层与网络层数据交互的桥梁，在物联网中具有特殊的地位。网关负责网络间的协议解析，不同网络类型的网络路由，网络数据的汇聚、存储、处理、转发等功能，成为物联网感知层与网络层不可缺少的纽带。因此设计出成本低、效率高、运行稳定的网关对物联网的推广有着重要的现实意义。

1 系统方案

       本文设计的网关主要由高速微控制器LPC1227、ZigBee射频收发模块、GSM通信模块EM310、AC—DC电源模块等组成。网关的系统结构如图1所示。

       为了满足网关低成本、高实时性的要求，网关的MCU采用基于Cortex-M0内核的LPC1227微控制器，该微控制器由NXP半导体公司设计，于2011年2月投入市场。微控制器可在高达45 MHz的CPU频率下运行，包含128 KB片内Flash存储器和8 KB数据存储器。512字节Flash擦除扇区带来了多种设计上的好处，同时该芯片有两个具备内部FIFO的UART。网关系统软件不采用任何嵌入式操作系统，利用最小的软件负载实现高实时性。

       网关的ZigBee芯片采用TI公司的CC2530芯片，相对于当前使用较多的CC2430芯片，CC2530芯片的性价比更高。两种芯片的主要参数对比如表1所列。

       网关中扩展了配合CC2530芯片的射频前端芯片CC2591、CC2591是TI公司推出的工作频率为2．4GHz，面向低功耗与低电压无线应用，集成度很高的射频前端芯片。CC2591集成了可将输出功率提高+22 dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6 dBm的低噪声放大器，从而扩大了ZigBee无线网络的覆盖范围。

       网关采用华为公司设计的EM310 GSM模块，该模块具备内置的TCP／IP协议栈，方便实现ZigBee无线传感网和以太网的数据交互。

2 硬件设计

       2．1 网关电源电路

       LPC1227、CC2530和CC2591芯片需要3．3 V电压供电。考虑到GSM模块EM310的输入电压范围为3．4～4．7 V，本次设计采用4．1 V电压对EM310模块供电。因此网关电源电路设计为3．3 V和4．1 V输出的应用系统，如图2所示。

       首先由JP1电源接口输入220 V的交流电，经过AC—DC电源模块输出9 V直流电源。网关系统中GSM模块功耗最大，虽然EM310最大瞬时电流可达到1．6 A，但是EM310处于GPRS工作模式时只需要400 mA电流。综合考虑AC—DC模块的体积、成本以及系统工作的稳定性，最终选择了功率为10 W的AC—DC电源模块，可保证系统的稳定工作。为了稳定地向EM310提供4．1 V的电压，LDO芯片(低压差电源芯片)选择Sipex公司的SP X29302芯片，该芯片可稳定输出高达3A的电流，结合43kΩ和100kΩ的电阻，可将输出电压调节到4．1V。

       为保证3．3 V的输出电压采用了3．3 V的SPX1117LDO芯片，它的输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1％。两种LDO的输出端都采用一个10μF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。

2．2 远距离ZigBee模块电路

       远距离ZigBee模块电路主要由晶振电路、CC2530芯片、CC2591芯片、芯片间RF差分信号线的匹配链路、RF信号到天线的匹配电路、CC25 91控制信号线，以及电源的退耦滤波部分组成。本文只给出ZigBee模块系统结构图，如图3所示。

       对于CC2591的3个使能控制引脚，CC2530与CC2591的引脚连接分配如下：P1_1对应PA EN，P1_4对应EN，P0_7对应HGM。在实际设计ZigBee模块的PCB电路板时，需注意以下2点：

       ①CC2530的GND引脚在芯片底部，画PCB封装时可在GND焊盘上添加GND过孔，以实现芯片的GND引脚与PCB板上的GND相连。

       ②TI公司提供的CC2591设计资料中建议采用4层板设计，考虑成本因素，本次设计仍采用2层PCB设计。经测试发现ZigBee节点间的通信距离在采用5 dm全向天线时，无障碍通信距离可达1 km以上，满足设计需要。

2．3 EM310模块电路

       EM310是由华为公司设计的GSM模块。它的输入电压设计在第1节中已有介绍。这里需要注意2点：

       ①串口引脚的连接。EM310模块采用串口与LPC1227进行通信，EM310串口引脚的连接比较特殊。RXD对应终端设备的RXD口，TXD对应终端设备的TXD口。因此LPC1227与EM310相连时引脚分配如下：PIO0_1／RXD0对应RXD，PIO0_2／TXD0对应TXD。

       ②本次设计中虽然不需要使用EM310进行语音通话，但建议EM310模块的RING引脚与LPC1227的GPIO引脚相连。因为EM310模块在收到短信和语音呼叫时都会在RING引脚输出低电平，LPC1227通过中断可以及时计算出RING引脚低电平持续时间，从而尽快地对短信或来电进行处理，比采用软件查询方式更具有实时性。

3 软件设计

       网关的软件系统主要由ZigBee协调器程序和嵌入式处理器程序构成。

       3．1 ZigBee协调器程序

       ZigBee标准定义ZigBee网络中存在3种类型的设备：协调器、路由器、终端设备。其中协调器负责建立ZigBee网络，因此网关中的ZigBee模块需要在程序中配置为协调器类型。协调器程序采用最新的TI公司推出的ZigBee协议栈2007版，该协议栈可很好地支持网络的自组织和自愈合。相对于目前使用较多的ZigBe e协议栈2006版，07版协议栈在06版协议栈基础上主要增加了支持多密钥高安全性、大型网络和分割传输等特性。协调器程序在已有协议栈基础上，主要还需增加如下部分：