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引言 ZigBee技術(shù)作為一種新型的近距離、低功耗、低數據傳輸率的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，在家電產(chǎn)品中得到越來(lái)越廣泛的應用。在網(wǎng)絡(luò )無(wú)處不在的今天，人們希望隨時(shí)隨地能訪(fǎng)問(wèn)和控制家庭中的各種家電設備。這就要求嵌入在家電產(chǎn)品中的智能控制系統 (Agent)能夠與Internet相結合，使家電設備順利地接入Internet，并能提供相應的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)。實(shí)現這些服務(wù)要求Agent必須實(shí)現 TCP／IP協(xié)議棧，不管是以軟件方式還是以硬件方式，都會(huì )增加產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本、周期和復雜度。本文介紹一種基于XPort和ZigBee模塊的 Internet接入方案，將它集成到家電產(chǎn)品的設計中，即可使智能家電設備便捷地接入Internet，然后通過(guò)Internet來(lái)控制。 1 XPort XPort設備服務(wù)器是美國Lantronix公司開(kāi)發(fā)的一種緊湊且高度集成的、可讓任何帶有串口的智能設備接入Internet的嵌入式設備。通過(guò)在自己的產(chǎn)品設計中集成XPort，開(kāi)發(fā)人員不必考慮復雜的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，可以大大縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。XPort模塊集成有Lantronix公司的DSTni- EX增強版16位CPU。該模塊為i86內核體系結構，具有24位尋址能力、256 KB的SRAM、16 KB的引導ROM、384 KB的Flash和10／100 Mbps自適應以太網(wǎng)口(RJ45)。圖1直觀(guān)地顯示了XPort的接口方式和內部布局。XPort一端為3．3 V CMOS電平的8引腳高速串口(GND，3．3VDC，Reset，Data In，Data Out，CPl，CP2，CP3)，另一端為RJ45標準以太網(wǎng)口。 
XPort的主要功能是實(shí)現串口與10／100 Mbps網(wǎng)絡(luò )間的數據轉換，便于帶有串口的設備接入Internet；另外還有Email告警功能，通過(guò)設定的條件觸發(fā)。XPort高速串口支持 RS232、RS485協(xié)議，有300～921 600 bps的波特率可選�？刂菩盘栍蠨TR／DCD、CTS、RTS，流控制有XON／XOFF、RTS／CTS、3個(gè)PIO pin口(軟件可選)。XPort網(wǎng)絡(luò )接口的連接器為RJ45，支持協(xié)議有TCP／IP、UDP／IP、ARP、ICMP、SNMP、TFTP、 Telnet、DHCP、BOOTP、HTTP和AutoIP。XPort具有基于Windows平臺的配置工具，內建Web服務(wù)器，Flash存儲器可以存儲用戶(hù)自定義網(wǎng)頁(yè)，固件可以通過(guò)TFTP和串口升級。XPort設備服務(wù)器還提供10／100 Mbps自適應以太網(wǎng)連接、存儲在Flash中的可靠的操作系統、嵌入式Web服務(wù)器、完整的TCP／IP協(xié)議棧、標準的AES加密、狀態(tài)指示燈和電磁屏蔽電路等。XPort的內部結構如圖2所示，一端的串行接口與DsTni-EX連接，另一端的以太網(wǎng)連接器通過(guò)一個(gè)防電磁干擾電路與CPU連接。
XPort通過(guò)串口和邊緣設備通信。XPort的工作電壓為3．3 V，內部有一個(gè)電壓監測電路，當提供的電壓低于2．7 V時(shí)會(huì )觸發(fā)重啟。3．3 V電壓通過(guò)內建的1．8 V電壓轉換器為微處理器供電，濾波電路產(chǎn)生3．3 V的數字電壓和模擬電壓，25 MHz晶振電路為CPU和以太網(wǎng)媒體訪(fǎng)問(wèn)控制芯片提供精確時(shí)鐘信號。 2 系統結構 遠程訪(fǎng)問(wèn)和控制家電需要處理的關(guān)鍵問(wèn)題是不同數據類(lèi)型的轉換，即TCP／IP數據如何被轉化為家電可以接收識別的數據，使用戶(hù)通過(guò)局域網(wǎng)或。Internet終端就能訪(fǎng)問(wèn)家電。該系統主要由3層組成：用戶(hù)層、控制中心層和終端設備層，其結構如圖3所示。
其中，用戶(hù)層負責收集、顯示整個(gè)系統家電狀態(tài)數據和發(fā)送控制命令，這些功能由用戶(hù)層中的Web頁(yè)面來(lái)實(shí)現，也可以使用上位機軟件；控制中心層實(shí)際上成為用戶(hù)層與終端設備層之間的一個(gè)連接，由TCP／IP到串口轉換設備XPort和ZigBee模塊LM2455-EM組成，相當于一個(gè)ZigBee網(wǎng)關(guān)，其主要作用是協(xié)議轉換和數據傳遞；終端設備層是由傳感器、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊和微控制器(MCU)等組成的智能家電產(chǎn)品。用戶(hù)層通過(guò)用戶(hù)程序發(fā)出的控制命令經(jīng) Socket連接傳給XPort，設備MCU接到數據后控制執行器產(chǎn)生相應的動(dòng)作，讓家電進(jìn)入相應的工作狀態(tài)。家電作為該系統中的嵌入式終端設備，成為 ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的一個(gè)ZigBee節點(diǎn)。 圖3中，虛線(xiàn)表示ZigBee無(wú)線(xiàn)通信，可分為單向和雙向。單向通信時(shí)，家電設備控制中心只需對其發(fā)出命令，控制其工作狀態(tài)；雙向通信時(shí)，家電設備控制中心還需要從該設備獲得相關(guān)的信息，并將該信息返回給用戶(hù)。系統的關(guān)鍵部分是控制中心層，其中XPort負責與局域網(wǎng)或Internet連接，LM2455 -EM無(wú)線(xiàn)模塊負責組建ZigBee網(wǎng)絡(luò )并與家電通信。圖4給出了XPort與LM2455-EM的連接方式。XPort的數據接收口連接LM2455- EM的數據發(fā)送口P1_1，XPort的數據發(fā)送口接LM2455-EM的數據接收口P1_0。
當用戶(hù)通過(guò)Internet發(fā)送控制家電的信息或者想要獲得家電狀態(tài)時(shí)，XPort就將收到的網(wǎng)絡(luò )數據轉換為串口數據，通過(guò)其引腳4發(fā)送給LM2455- EM的串口(P1．0)；LM2455-EM做出相應的響應，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器向終端設備發(fā)送相關(guān)命令。同樣，終端設備對收到的命令做出響應，如果用戶(hù)端需要讀取家電狀態(tài)，則發(fā)送狀態(tài)信息給控制中心。當LM2455-EM收到ZigBee無(wú)線(xiàn)數據時(shí)，將其發(fā)送到XPort的引腳5，XPort就將原始數據打包成TCP／IP數據包，發(fā)送給用戶(hù)。 3 ZigBee模塊 ZigBee模塊LM2455-EM的核心是韓國RadioPulse公司推出的一款片上系統芯片MG2455-F48。它完全兼容IEEE 802．15．4標準和ZigBee標準，為家電控制、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等ZigBee應用提供一種無(wú)線(xiàn)解決方案。由RF收發(fā)器、嵌入式8051核微控制器、內部Flash存儲器一般I／O口和定時(shí)器、UART等外圍設備組成；通信速率有250 kbps、500 kbps、1 Mbps，提供μ-law／a-law／ADPCM語(yǔ)音編碼支持，具有96 KB的Flash程序存儲空間和8 KB數據內存。 在空曠場(chǎng)合，通信距離可以達到200 m。其功耗很低，在睡眠模式下，電流消耗低于1μA；在接收狀態(tài)下，電流消耗為33．2 mA；在發(fā)送狀態(tài)下，0 dBm時(shí)電流消耗為30．6 mA，8 dBm時(shí)電流消耗為43 mA。MG2455-F48采用四側無(wú)引腳扁平48引腳封裝方式。 MG2455-F48芯片集成了符合ZigBee協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，具有通信距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活、性能穩定可靠等優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)對多點(diǎn)間的數據透明傳輸，可組成星型、樹(shù)型、蜂窩型等網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。數據通信方式包括廣播方式和按照目標地址發(fā)送方式。 RadioPulse公司以庫文件的形式為用戶(hù)提供ZigBee協(xié)議棧軟件，用戶(hù)可使用Keil等工具軟件編譯自己的應用程序。 4 XPort的配置 XPort上電后需要進(jìn)行配置，使其符合用戶(hù)需要的工作狀態(tài)。Lantronix公司提供了相應的工具軟件Lantron-ix Devicelnstaller。運行該軟件，如果XPort供電正常且已經(jīng)接入網(wǎng)絡(luò )，該軟件會(huì )自動(dòng)搜尋到該設備�？梢酝ㄟ^(guò)3種方式配置XPort：瀏覽器方式(推薦使用，圖形用戶(hù)界面)，Telnet：遠程登陸方式和串口方式。 首先使用DeviceInstaller軟件為其分配一個(gè)有效的IP地址，然后設置XPort的串口工作方式，最后設置其網(wǎng)絡(luò )參數。使用協(xié)議選擇TCP，工作模式為接收連接。需分配一個(gè)本地端口，如果選擇主動(dòng)連接，則需要選擇遠程主機的IP地址和端口號，其他默認設置即可。 使用瀏覽器配置XPort的參數需要人工手動(dòng)設置，而使用基于命令行的串口方式可實(shí)現自動(dòng)設置。用戶(hù)編寫(xiě)的XPort參數設置程序，上電時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)進(jìn)入監視模式，完成相關(guān)參數設置。由于XPort內置Web服務(wù)器，可以使用JAVA applet編寫(xiě)自己的網(wǎng)頁(yè)程序，燒寫(xiě)到XPort的用戶(hù)存儲空間，然后在程序中使用Socket．receive()和Socket．send()處理用戶(hù)自己的數據。 5 ZigBee網(wǎng)絡(luò )構建 ZigBee網(wǎng)絡(luò )有星型、樹(shù)型、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式。組建成什么網(wǎng)絡(luò )應根據需要而定。對各家電問(wèn)沒(méi)有通信需求，也沒(méi)有擴展通信距離需要的，可以構建成星型網(wǎng)絡(luò )。在星型拓撲結構中，所有的終端設備都與唯一的中央控制設備——PAN協(xié)調器通信，終端設備之間的通信通過(guò)PAN協(xié)調器的轉發(fā)來(lái)完成。終端設備要么是通信的起點(diǎn)，要么是通信的終點(diǎn)；PAN協(xié)調器則既可以是通信的起點(diǎn)，也可以是通信的終點(diǎn)。 在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，設備類(lèi)型分為ZigBee協(xié)調器、ZigBee路由器、ZigBee終端設備，PAN協(xié)調器就是ZigBee協(xié)調器。 ZigBee協(xié)調器是一個(gè)起網(wǎng)絡(luò )控制中心作用的FFD，它不單為網(wǎng)絡(luò )控制而存在，還可以有自己的應用。與XPort連接的ZigBee模塊LM2455- EM就充當ZigBee協(xié)調器的角色，負責網(wǎng)絡(luò )的創(chuàng )建。 創(chuàng )建一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò )需要用到以下幾個(gè)網(wǎng)絡(luò )層原語(yǔ)。 ①NLME-RESET．request原語(yǔ)：實(shí)現對網(wǎng)絡(luò )層復位，清除所有內部變量和路由發(fā)現表記錄。 ②NLME-NETWORK-FORMATION．reqctest原語(yǔ)：創(chuàng )建一個(gè)新的ZigBee網(wǎng)絡(luò )。只有充當ZigBee協(xié)調器的全功能設備才能?chē)L試建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò )，在創(chuàng )建網(wǎng)絡(luò )之前，它首先會(huì )請求MAC層執行能量檢測掃描。 ③NLME-PERMIT-JOINING．request原語(yǔ)：允許一個(gè)ZigBee終端設備加入網(wǎng)絡(luò )。 構建網(wǎng)絡(luò )代碼由ZigBee協(xié)議庫文件實(shí)現的main()函數來(lái)調用。它可以在ZUSER_INIT()中實(shí)現，也可以在ZUSER_MAIN()中實(shí)現。處理用戶(hù)自己數據則在ZUS-ER_MAIN()中實(shí)現。運行在ZigBee協(xié)調器中的main()函數通過(guò)一個(gè)死循環(huán)調用ZUSER_MAIN() 來(lái)執行任務(wù)和工作，其偽代碼如下：
結語(yǔ) ZigBee作為智能家居的實(shí)現技術(shù)之一，有著(zhù)很好的應用前景。本文給出了一個(gè)簡(jiǎn)單而高效的解決方案，使Zig-Bee終端設備能夠便捷地接入 Internet，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器就可以操作和控制家電。用該方法實(shí)現嵌入式設備入網(wǎng)，不再需要在設備中增加以太網(wǎng)控制器并在MCU中實(shí)現TCP／IP協(xié)議，可大大降低系統設計復雜度，縮短開(kāi)發(fā)周期。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的產(chǎn)品會(huì )連接到網(wǎng)絡(luò )上，通過(guò)更小的設備來(lái)完成細分的工作。嵌入式終端設備入網(wǎng)既是需求，又是趨勢，該方法同樣適合于其他通過(guò)串口交換數據的嵌入式設備聯(lián)網(wǎng)。 參考文獻 1. Lantronix Corp XPort Data Sheet 2009 2. RadioPulse Inc LM2455EM Datasheet VER.1.4 2008 3. 李文仲.段朝玉 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)入門(mén)與實(shí)踐 2007 4. 瞿雷.劉盛德.胡咸斌 ZigBee技術(shù)及應用 2007 作者：三峽大學(xué) 王立波 陳慈發(fā) 來(lái)源《單片機與嵌入式系統應用》 2009（7） |
