基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設(shè)計(jì)

基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設(shè)計(jì)摘要:介紹了一種GPRS無線靜止圖像傳輸系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)介紹了終端移動(dòng)臺(tái)和通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸圖像數(shù)據(jù)的通信軟件的設(shè)計(jì)。此外，本文還介紹了GPRS客戶端在無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸中使用的兩種流量控制方法。關(guān)鍵詞:GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信TCP/IP協(xié)議圖像傳輸

GPRS是在GSM系統(tǒng)中提供分組服務(wù)的一種方式。對(duì)于從2G到3G的過渡，GPRS是將移動(dòng)通信與IP相結(jié)合的最廣泛使用的技術(shù)解決方案。由于GPRS具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、登錄快、傳輸速度快、覆蓋面廣等優(yōu)點(diǎn)，電力抄表、金融證券、智能交通等部門正逐步采用GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。在各種數(shù)據(jù)服務(wù)中，圖像傳輸?shù)膽?yīng)用最具代表性。目前，GPRS的快速發(fā)展也面臨著許多問題:GPRS業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用軟件還有待開發(fā)；還需要生產(chǎn)大量的多功能GPRS終端設(shè)備。

摘要:基于當(dāng)前GPRS的發(fā)展，研究了如何利用GPRS技術(shù)傳輸靜止圖像，以及如何通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)GPRS模塊連接互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)與公網(wǎng)監(jiān)控中心之間可靠的無線數(shù)據(jù)通信。其優(yōu)點(diǎn)是:(1)無線上網(wǎng)，適合移動(dòng)目標(biāo)；(2)覆蓋范圍廣，適用于偏遠(yuǎn)、分散的目標(biāo)；(3)傳輸可靠，傳輸速率遠(yuǎn)高于GSM系統(tǒng)。

GPRS無線通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)GPRS無線通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由三部分組成:移動(dòng)臺(tái)(MS)(控制器+GPRS開發(fā)板)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)(包括基站控制器BSC、業(yè)務(wù)支撐節(jié)點(diǎn)、骨干網(wǎng)和業(yè)務(wù)支撐節(jié)點(diǎn)等。)和監(jiān)控中心。

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移動(dòng)臺(tái)通過GPRS模塊連接到改造后的GSM基站(包括BSC、BTS和PCU)，然后連接到GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)SGSN，后者與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信。GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)與監(jiān)控中心之間的通信。

監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和監(jiān)控器組成。移動(dòng)臺(tái)的數(shù)據(jù)信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過互聯(lián)網(wǎng)以IP協(xié)議將信息發(fā)送到監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。監(jiān)控中心的控制信息也通過這條通信鏈路發(fā)送到移動(dòng)臺(tái):來自互聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)有移動(dòng)臺(tái)地址的TP包被GGSN接收，然后轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，再傳送到移動(dòng)臺(tái)。

2圖像傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)發(fā)送端的硬件部分主要是移動(dòng)臺(tái)MS部分，包括移動(dòng)終端(MT)和終端設(shè)備(TE)。TE控制器，設(shè)計(jì)用于使用PC控制MT通信。MT主要基于GPRS/GSM模塊，需要與外圍電路連接，形成完整的移動(dòng)終端。移動(dòng)終端通過接收控制器發(fā)送的AT命令來實(shí)現(xiàn)各種無線通信功能。

2.1 GPRS無線模塊的功能及接口GPRS模塊是整個(gè)移動(dòng)終端的核心，采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模塊。Q2406B為GPRSl0產(chǎn)品，與外部電路的接口由60針通用連接器提供。Q2406B屬于WISMO 2D系列，在機(jī)械特性、模具反轉(zhuǎn)、軟硬件接口等方面與WISMO 2C完全兼容，包含了之前機(jī)型的所有功能。由于內(nèi)嵌了可選的TCP/IP協(xié)議棧，可以直接通過AT指令訪問Intemet，省去了編程時(shí)常用的TCP/IP處理模塊和繁瑣的各種API函數(shù)調(diào)用。Q2406B模塊的功能接口描述如圖2所示。

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(1)電源接口:模塊射頻部分的電源一般為3.6V，基帶部分的電源不低于3.1V，可以使用滿足紋波系數(shù)要求的電源作為輸入。同時(shí)為兩個(gè)部分供電。(2)SIM卡接口:提供符合GSMll.12規(guī)范的3VSIM卡接口。如果要接5V SIM卡(GSM11.11規(guī)格)，可以接3 ~ 5V電平轉(zhuǎn)換器(比如LTCl555)。(3)語音輸入/輸出接口:包括兩個(gè)麥克風(fēng)輸入/輸出接口。(4)射頻天線電路接口:有直接和間接天線連接方式。(5) I/O接口:包括5)I/O接口、uART接口、鍵盤和SPI接口。

2.2電路功能接口實(shí)現(xiàn)Q2406B模塊與外圍電路的連接，移動(dòng)終端硬件設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

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(1)電源:外部電源要穩(wěn)定，如果低于3.3V，GPRS模塊無法登錄網(wǎng)絡(luò)；如果高于4.5V，會(huì)燒壞模塊。(2)UART串口:移動(dòng)終端通過UART串口與控制器通信，接收AT命令，發(fā)送數(shù)據(jù)。Q2406B模塊是TTL器件，串口不能直接與‘PC’的EIA-RS-232C接口連接，串口由MAX3237驅(qū)動(dòng)。

與02406B的串行通信至少需要四個(gè)信號(hào):TXD、RXD、RTS和CTS。后兩個(gè)信號(hào)用于硬件流量控制，以防止傳輸過程中的數(shù)據(jù)丟失。詳情參見通信軟件設(shè)計(jì)部分。

(3)SIM卡接口:3V SIM卡檢測信號(hào)輸出，但Q2406B模塊提供單工卡檢測輸入pin，單工信號(hào)由低變高表示SIM卡插入。為了使模塊能夠檢測SIM卡，它被設(shè)計(jì)成將單工引腳直接連接到高電平。

(4)音頻處理:兩個(gè)音頻接口一個(gè)自帶偏移，一個(gè)需要外部偏移。音頻接口內(nèi)部連接有運(yùn)算放大器，差分模式比單端模式更有利于防噪，所以兩個(gè)通道都是差分連接，通過電容和電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可以連接電話手柄進(jìn)行通話。

(5)射頻天線匹配采用間接連接方式。阻抗為50ω的同軸電纜用于匹配GPRS模塊射頻部分的傳輸阻抗。電纜的另一端連接阻抗為50 ω的天線，大大降低了回波反射，使設(shè)備移動(dòng)靈活。

(6)設(shè)計(jì)中還包括一些輔助電路:軟件下載電路、LED指示燈電路、開關(guān)和復(fù)位電路，可以使硬件平臺(tái)更有效、更安全地工作。

2.3系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)電磁干擾是無線終端設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵考慮因素。GPRS模塊工作頻率為900/1 800MHz，峰值發(fā)射功率達(dá)到2 W，處理不當(dāng)會(huì)對(duì)外圍電路造成干擾?？朔鞣N干擾。確保工作穩(wěn)定是布局板的首要考慮因素。本設(shè)計(jì)從以下幾個(gè)方面采取措施:

(1)盡量使用芯片封裝器件，避免使用DIP型器件，減少電流發(fā)射(感應(yīng))回路面積，同時(shí)節(jié)省板面積。(2)采用四層PCB，保證信號(hào)和電源的完整性，避免傳輸過程中的損耗，最大限度降低電源和地彈的噪聲。良好的接地還能起到更好的靜電防護(hù)和散熱作用。該設(shè)計(jì)對(duì)所有信號(hào)(模擬/數(shù)字、射頻)使用相同的接地線。(3)重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵信號(hào)的布線。為了保護(hù)SIM卡和串口輸出等敏感部件免受射頻和尖峰脈沖干擾，采用高速防靜電管ESDA6V1L和DAI6V1L進(jìn)行保護(hù)。音頻信號(hào)線用地線隔離屏蔽，減少外界干擾。(4)合理安排設(shè)備位置，減少接線長度。SIM卡接口線的長度應(yīng)小于織機(jī)。(5)在供電線路旁增加去耦電容，保證供電的穩(wěn)定性。

2.4系統(tǒng)熱保護(hù)設(shè)計(jì)02406B工作溫度-20℃~+55℃，射頻發(fā)射功率高。應(yīng)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，防止模塊被長時(shí)間工作產(chǎn)生的熱量燒壞。(1)將Q2406B模塊隔離蓋上的接地引腳同時(shí)焊接到PCB板的兩側(cè)，以加速模塊散熱。(2)選擇與GPRS模塊射頻匹配的天線，減少天線回波反射產(chǎn)生的熱量。(3)元器件布局也要注意散熱:大功率GPRS模塊放在一邊，方便散熱；元件，尤其是電容器，不要放在發(fā)射天線的附件中，以免電解液受熱過早老化。

3圖像傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)目的軟件設(shè)計(jì)目的:通過向GPRS模塊發(fā)送AT命令，控制移動(dòng)終端的通信過程，使移動(dòng)臺(tái)能夠借助GPRS提供的網(wǎng)關(guān)和路由訪問Internet，通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成與Internet上的監(jiān)控中心傳輸圖像數(shù)據(jù)的任務(wù)。

基于以上需求，設(shè)計(jì)了通信軟件，即GPRS客戶端軟件和服務(wù)器軟件。

3.2 GPRS無線模塊通信指令WISMO 2D模塊的軟件部分提供了控制系統(tǒng)運(yùn)行的AT指令集。通過接收來自UART的AT指令，解釋并執(zhí)行相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)無線調(diào)制解調(diào)器的相應(yīng)功能。

因?yàn)槌绦蛱L，所以只列出了用于TCP傳輸?shù)闹饕狝T命令:AT+cgreg = 1；//設(shè)置GPRS注冊狀態(tài)為+cgatt = l；//GPRS網(wǎng)絡(luò)連接AT # APNServ = " CMNET//將GPRS接入點(diǎn)設(shè)置在# APUN =//在# apnpw = " "，認(rèn)證用戶名設(shè)置為空；//驗(yàn)證密碼在# connectionstart設(shè)置為空;//連接CPRS網(wǎng)絡(luò)登錄互聯(lián)網(wǎng)并成功返回動(dòng)態(tài)分配的IP地址AT # TCP serv = " 202 . 112 . 135 . 203 "://設(shè)置服務(wù)器的IP地址，即監(jiān)控中心的IP地址AT # tcpport = " 6000 "://設(shè)置服務(wù)器與客戶端通信的Socket端口:AT # otcp；//打開與遠(yuǎn)程服務(wù)器的TCP連接

TCP連接成功后，GPRS模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。此時(shí)可以通過串口將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS模塊，通過Socket將模塊發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也可以向模塊發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸后，控制器發(fā)送終止字符< ETX >，移動(dòng)終端返回到AT命令接收狀態(tài)。

3.3 GPRS客戶端軟件控制器上運(yùn)行的客戶端軟件具有以下功能:(1)串行通信，包括AT命令通信和數(shù)據(jù)文件通信。(2)顯示傳輸過程計(jì)時(shí)，用于測試系統(tǒng)的傳輸速率。(3)停止GPRS模塊的TCP協(xié)議棧通信。當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，停止協(xié)議棧的工作。

Q2406B嵌入式TCP協(xié)議棧緩沖區(qū)有限。如果串口寫速率遠(yuǎn)高于GPRS傳輸速率，協(xié)議棧會(huì)丟失數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕仨氝M(jìn)行流量控制。設(shè)計(jì)中采用了兩種流量控制方式:數(shù)據(jù)包方式和硬件握手方式。

GPRS客戶端使用數(shù)據(jù)包方式傳輸圖像文件的流程如圖4所示。該方法首先將圖像文件打成若干個(gè)小數(shù)據(jù)包，逐個(gè)寫入串口，由GPRS模塊發(fā)送。監(jiān)控中心的服務(wù)器收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后，返回響應(yīng)幀，GPRS模塊發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)包。如果超時(shí)后仍未返回響應(yīng)幀，將重新發(fā)送最后一個(gè)數(shù)據(jù)包。這種方法犧牲了一些時(shí)間，但保證了圖像傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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硬件握手方式采用9線串口硬件握手信號(hào):RTS/CTS進(jìn)行流量控制。當(dāng)系統(tǒng)工作時(shí)?？刂破魇褂肦TS啟動(dòng)GPRS模塊的數(shù)據(jù)流，GPRS模塊使用CTS啟動(dòng)和暫停來自控制器的數(shù)據(jù)流。當(dāng)緩沖器中的數(shù)據(jù)量達(dá)到高電平時(shí)，模塊將CTS線設(shè)置為低電平。在控制器程序檢測到cts為低之后，它停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到協(xié)議棧緩沖器中的數(shù)據(jù)量低于低電平，并將CTS設(shè)置為高電平。

這種方法還可以保證寫入的數(shù)據(jù)不丟失，圖像文件傳輸?shù)暮臅r(shí)小于前一種方法。但不能用在簡化的三線串口協(xié)議中，也不能像以前的方法一樣檢測GPRS數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包，通過重傳來保證傳輸過程的可靠性。

3.4 GPRS服務(wù)器端軟件GPRS圖像傳輸系統(tǒng)采用多個(gè)移動(dòng)終端連接監(jiān)控中心服務(wù)器的方式。服務(wù)器采用普通互聯(lián)網(wǎng)上的主機(jī)模式，作為TCP服務(wù)器，有一個(gè)靜態(tài)的公共IP，一個(gè)開放的監(jiān)聽端口，可以從外部訪問。在其上，TCP端口監(jiān)控程序運(yùn)行，從移動(dòng)臺(tái)接收TCP包，并向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送響應(yīng)數(shù)據(jù)。GPRS服務(wù)器通過數(shù)據(jù)包方式接收?qǐng)D像文件的流程如圖5所示。服務(wù)器端軟件具有以下功能:(1)監(jiān)控TCP端口；(2)接收數(shù)據(jù)包，發(fā)送和接收響應(yīng)幀；(3)顯示接收到的數(shù)據(jù)和尺寸，并保存圖像文件。

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本系統(tǒng)的發(fā)送端設(shè)計(jì)了兩種流量控制方法，一種是硬件實(shí)現(xiàn)，另一種是軟件實(shí)現(xiàn)。前者在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的情況下速度更快。后者可以有效保證整個(gè)GPRS傳輸過程的穩(wěn)定性和可靠性，可以直接用在簡化的三線串口協(xié)議中。當(dāng)控制器采用嵌入式微處理器時(shí)，可以方便地與微處理器的串口連接，無需串口轉(zhuǎn)換芯片。

使用中國移動(dòng)提供的通用GPRS服務(wù)進(jìn)行測試，該系統(tǒng)傳輸速率可達(dá)10kbps。大量測試中沒有數(shù)據(jù)丟失，整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。同時(shí)也可以用來傳輸任何形式的文件數(shù)據(jù)，適用于需要遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。

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