专利名称：一种基于Zigbee技术的以太网无线网关的制作方法
技术领域：
本实用新型属无线通信技术领域，具体涉及一种可以远程读取无线节点、能够使 无线传感器网络与互联网无缝连接的以太网无线网关。
背景技术：
Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，它是一种介于无线标 记技术和蓝牙之间的技术提案。这一名称来源来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方 式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以 此作为新一代无线通讯技术的名称。其特点是近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成 本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。Zigbee是一组基于IEEE 802. 15. 4无线标准研制开发的组网、安全和应用软件方 面的技术标准。与其他无线标准如802. 11或802. 16不同，Zigbee和802. 15. 4以250Kbps 的最大传输速率承载有限的数据流量。Zigbee使1822006. 24计算机工程与应用用全球免 费频段进行通讯，能够在三个不同的频段上通讯。全球通用的频段400GHZ-2. 484GHz，欧洲 采用的频段是868. OMHz-868. 66MHz，美国采用的频段是902MHz_928MHz，传输速率分别为 250kbps, 20kbps和40kbps，通讯距离的理论值为10m_75m。ZigBee协议框架包含物理层、介质访问层、数据链路层和应用层。其中的物理层、 介质访问层和数据链路层是基于IEEE802. 15. 4无线个人局域网(WPAN)标准协议；ZigBee 在IEEE802. 15. 4标准基础之上建立网络层和应用支持层，包括巨大数量节点的处理最大 节点数可以达到65000个、ZigBee设备对象、用户定义的应用轮廓以及应用支持层等。应 用层则由用户根据需要进行开发。ZigBee技术在ZigBee联盟和IEEE802. 15. 4的推动下，结合其他无线技术，可以实 现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价 值，在未来其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。
实用新型内容本实用新型的目的在于提出一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，用于远程 读取无线节点、能够使无线传感器网络与互联网无缝连接。为实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种基于Zigbee技术的以太网无线 网关，其特征在于该以太网无线网关包括Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、 外部以太网PHY芯片以及供电与电源管理模块，所述Zigbee收发器通过4线SPI总线接口 与微控制器连接并进行通信；所述TCP/IP协议栈芯片通过数据和地址总线与微控制器连 接并进行通信；所述外部以太网PHY芯片通过媒体独立接口 MII与TCP/IP协议栈芯片连 接；所述供电与电源管理模块分别与Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以 太网PHY芯片连接并为其提供电源。本实用新型应用此大规模集成芯片于系统中可完全卸载网络协议所需的负荷，减
3轻软件开发的开支。采用硬件化的TCP/IP协议栈芯片W3150A+进行TCP/IP数据包的高速 处理，能够实现与互联网的无缝连接与通讯。本实用新型的Zigbee射频收发器由CC2420芯片来实现信号的接收与发射，并配 备了一个全向天线，全向天线可用来实现无线信号灵敏接收的强大功能，可以远程读取无 线节点。
图1是本实用新型一种基于Zigbee技术的以太网无线网关结构框图；图2是本实用新型无线网关总体结构示意图；图3是本实用新型Zigbee收发器与微控制器的接口示意图；图4是本实用新型硬件化的TCP/IP芯片协议栈框架；图5是本实用新型不同位置的距离35米的网关平均RSSI示意图；图6是本实用新型不同RSSI的网关平均PRR示意图。
具体实施方式
本实用新型的内容、优点和目的将在下面实施例的说明中予以阐述。一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于该以太网无线网关包括 Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以太网PHY芯片以及供电与电源管理模 块，所述Zigbee收发器通过4线SPI总线接口与微控制器连接并进行通信；所述TCP/IP协 议栈芯片通过数据和地址总线与微控制器连接并进行通信；所述外部以太网PHY芯片通过 媒体独立接口 MII与TCP/IP协议栈芯片连接；所述供电与电源管理模块分别与Zigbee收 发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以太网PHY芯片连接并为其提供电源。所述Zigbee收发器包括天线、无线射频芯片、射频电路以及晶振电路；所述天线 与射频电路连接；所述射频电路和晶振电路分别与无线射频芯片连接。所述晶振电路用于 给芯片(单片机)提供工作信号脉冲。所述射频电路用于为天线提供50欧姆阻抗匹配，使 天线效能得到充分地发挥。所述微控制器包括主程序控制芯片以及与主程序控制芯片连接的存取电路和串 口通信电路。所述串口电路用于RS232电平转换，使该网关能直接与计算机串口相连，便于 更新固件程序以及调试。本实用新型提出的基于Zigbee技术以太网(Ethernet)无线网关(Zigbee/ Ethernet网关)采用8位低价8051作为主控芯片来完成Zigbee到Ethernet的转换。为 了减轻主控芯片的TCP/IP数据包处理负担，该网关采用全硬件化的TCP/IP协议栈芯片 W3150A+来完成TCP/IP数据的处理，通过数据/地址总线与主控单片机相连，充分保证数据 的处理速度。Zigbee收发芯片采用TI公司的CC2420芯片，以保证该网关能够很好地兼容 IEEE802. 15. 4标准；CC2420芯片通过SPI接口与主控单片机进行通信，在保证通信速度的 同时，更节省了单片机的I/O接口开支。Zigbee/Ethernet网关的结构框图如图1所示。本实用新型采用8051指令兼容 的微控制器，该微控制器具有2kB的片上内存，带有64KB的闪存ROM，以及2kB的信息存储 EEPROM。[0022]本实用新型中，选用Antenova的50欧姆云母芯片天线，以确保高性能、最低功耗 和小尺寸。Antenova的云母片天线易于集成，专为2. 4GHz ZigBee的具有65%平均效率的 设备设计。本实用新型网关结构中的硬件协议栈芯片W3150A+是以大规模集成电路方式硬 件化通讯协议栈，实现方式是以硬件化TCP/IP栈来完成，提供了一种简单、经济的高速连 接互联网上各种数字设备的解决方案。应用此大规模集成芯片可完全卸载网络协议所需的 负荷，减轻软件开发的开支。W3150A+实现TCP/IP栈中的TCP、UDP、I CMP, IPv4、ARP、IGMP 以及PPPoE协议等，另加连接以太网协议中的数据控制及MAC协议。芯片内含16KB收/发 缓冲存储器。对MCU接口采用直接总线方式，对物理层衔接则应用标准MII接口。本实用新型中，CC2420是一款符合IEEE 802. 15. 4标准的2. 4GHz射频收发芯片， 可以提供PHY和一些MAC功能，用来开发工业无线传感及家庭组网等PAN网络的ZigBee设 备和产品。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它只需极 少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了 IEEE802. 15. 4 标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持 数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。利用此芯片开发的短距离射频 传输系统成本低、功耗小，适于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性 强等特点。本实用新型的总体结构如图2所示。本实用新型将Antenova云母芯片天线作为 Zigbee射频收发器与外界通讯的媒介，而Zigbee射频收发器由CC2420芯片来实现信号的 接收与发射。CC2420芯片通过一个4线SPI总线接口和一系列数字I/O接口与微控制器进 行通讯，并接受微控制器(主控单片机)的控制命令，其接口如图3所示。FIFO和FIFOP状 态引脚可用于FIFOs的接收和发送接口，CCA引脚用于空闲信道评估，SFD引脚用于定时信 息的设置。CC2420芯片具有可编程的输出电源，并且能够提供一个可与数据一起传输的数 字收到信号强度指示器(RSSI)。本实用新型采用8位8051作为主控芯片来完成Zigbee到 Ethernet的转换，通过全硬件化的TCP/IP协议栈芯片W3150A+来完成TCP/IP数据的处理， 由主控芯片通过地址总线对芯片W3150A+进行寻址，并通过数据总线与主控单片机进行连 接和数据通信。由于以太网PHY没有集成在W3150A+中，需要一款外部以太网PHY芯片与 此连接，本实用新型选用Realtek的RTL82018芯片，通过媒体独立接口(MII)与W3150A+ 进行连接。收到的ZigBee数据帧带有TCP/IP头，数据包将通过互联网直接传送至数据库 服务器。ZigBee的数据帧封装需要使用TCP/IP报头。为了提供一个高TCP/IP处理速度，采 用硬件化的TCP/IP协议栈芯片W3150A+进行TCP/IP数据包处理。图4为W3150A+的协议 栈，该芯片集成了如互联网协议(IP)、地址解析协议(ARP)、互联网控制消息协议(ICMP)、 传输控制协议(TCP)和媒体访问控制(MAC)等协议。系统集成方便，不需要操作系统。本实用新型中还包含一个5V直流适配器和一个全向天线，全向天线可用来实现 无线信号灵敏接收的强大功能。为了评估本实用新型的性能，对网关的接收信号强度指示(RSSI)和数据包的接 收率(PRR)进行了测定和计算。实验在室内环境中部署实施，上述两个参数的测量范围达 35米。PRR记录和计算后，每一个地方进行1000包的传输。RSSI的是1000的数据包传输的平均值。图5给出了在各个不同位置的距离达到35米的网关的平均RSSI。图6为在不 同的RSSI的网关平均PRR。由图5可知，RSSI的平均值大于-70dBm时，通信距离小于11米；图6结果表明， PRR大于99. 5%，而更大的RSSI值大约为-70dBm。因此，本实用新型的PRR大于99. 5%, 而在传感器节点和网关通讯距离不超过11米。实施本实用新型能够提供可靠的短距离无 线通信。硬件化的TCP/IP芯片能够提供20Mbps的可靠的TCP数据传输，并支持了总带宽 32kbps的网关。本实用新型具有以下特点(1)价格便宜、开发简单本实用新型采用一种硬件协议栈芯片W3150A+，该芯片提供了一种简单、经济的高 速连接互联网上各种数字设备的解决方案，应用此大规模集成芯片于系统中可完全卸载网 络协议所需的负荷，减轻软件开发的开支。(2)使无线传感器网络与互联网无缝连接Zigbee是全球无线传感器网络的重要标准，是具有很好兼容性的无线传感器网络 网络协议。本实用新型采用Zigbee技术设计以太网无线网关，ZigBee的数据帧封装使用 TCP/IP报头，并采用硬件化的TCP/IP协议栈芯片W3150A+进行TCP/IP数据包的高速处理， 能够实现与互联网的无缝连接与通讯。(3)可以远程读取无线节点本实用新型的Zigbee射频收发器由CC2420芯片来实现信号的接收与发射，并配 备了一个全向天线，全向天线可用来实现无线信号灵敏接收的强大功能，可以远程读取无 线节点。上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本实用 新型。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明 的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本实用新型不限于这里 的实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，对于本实用新型做出的改进和修改都 应该在本实用新型的保护范围之内。
权利要求一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于该以太网无线网关包括Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以太网PHY芯片以及供电与电源管理模块，所述Zigbee收发器通过4线SPI总线接口与微控制器连接并进行通信；所述TCP/IP协议栈芯片通过数据和地址总线与微控制器连接并进行通信；所述外部以太网PHY芯片通过媒体独立接口MII与TCP/IP协议栈芯片连接；所述供电与电源管理模块分别与Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以太网PHY芯片连接并为其提供电源。
2.如权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所述 Zigbee收发器包括天线、无线射频芯片、射频电路以及晶振电路；所述天线与射频电路连 接；所述射频电路和晶振电路分别与无线射频芯片连接。
3.如权利要求1或2所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所 述微控制器包括主程序控制芯片以及与主程序控制芯片连接的存取电路和串口通信电路。
4.如权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所述 TCP/IP协议栈芯片为W3150A+。
5.如权利要求3所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所述主 程序控制芯片采用8位8051芯片。
6.如权利要求2所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所述无 线射频芯片为CC2420。
7.如权利要求2所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所述天 线为全向天线。
8.如权利要求1所述的一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，其特征在于所述 TCP/IP协议栈芯片集成了互联网协议IP、地址解析协议ARP、互联网控制消息协议ICMP、传 输控制协议TCP和媒体访问控制MAC。
专利摘要本实用新型一种基于Zigbee技术的以太网无线网关，该以太网无线网关包括Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以太网PHY芯片以及供电与电源管理模块，所述Zigbee收发器通过4线SPI总线接口与微控制器连接并进行通信；所述TCP/IP协议栈芯片通过数据和地址总线与微控制器连接并进行通信；所述外部以太网PHY芯片通过媒体独立接口MII与TCP/IP协议栈芯片连接；所述供电与电源管理模块分别与Zigbee收发器、微控制器、TCP/IP协议栈芯片、外部以太网PHY芯片连接并为其提供电源。该网关采用全硬件化的TCP/IP协议栈芯片W3150A+来完成TCP/IP数据的处理，通过数据/地址总线与主控单片机相连，充分保证数据的处理速度。更节省了单片机的I/O接口开支。
文档编号H04L29/06GK201657338SQ20102010209
公开日2010年11月24日 申请日期2010年1月26日 优先权日2010年1月26日
发明者康琦, 曲毅, 郝进伟, 陈海峰 申请人:烟台毅康电子科技有限公司