基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設(shè)計

基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設(shè)計摘要：介紹了一種GPRS無線靜態(tài)圖像傳輸系統(tǒng)的軟件和硬件實現(xiàn)方案，重點討論了終端移動臺以及通過Internet傳輸圖像數(shù)據(jù)的通信軟件設(shè)計。此外，還介紹了進行無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時，GPRS客戶端使用的兩種流控制方法。
關(guān)鍵詞：GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信TCP/IP協(xié)議圖像傳輸

GPRS是GSM系統(tǒng)中提供分組業(yè)務(wù)的一種方式，對于2G向3G的過渡，GPRS是使用最廣的能解決移動通信與IP結(jié)合的技術(shù)方案。因其具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、覆蓋面廣等優(yōu)點，電力抄表、金融證券、智能交通等部門都開始逐步利用GPRS進行遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。而在各類數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，尤以圖像傳輸?shù)膽?yīng)用最具代表性。當前，快速發(fā)展的GPRS亦面臨不少問題：各種開展GPRS業(yè)務(wù)的應(yīng)用軟件還有待開發(fā)；大量多功能的GPRS終端設(shè)備也需生產(chǎn)等

本文基于當前GPRS的發(fā)展狀況，研究如何利用GPRS技術(shù)進行靜態(tài)圖像傳輸以及如何通過驅(qū)動GPRS模塊經(jīng)過GPRS無線網(wǎng)連接Intemet，實現(xiàn)移動臺與公網(wǎng)監(jiān)控中心問的可靠數(shù)據(jù)無線通信。其優(yōu)點在于：(1)無線上網(wǎng)，適用于可移動目標；(2)覆蓋面廣，適用于偏遠及分散目標；(3)傳輸可靠，傳輸速率遠高于GSM系統(tǒng)。

1 GPRS無線通信系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
GPRS無線通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由三大部分組成：移動臺(MS)(控制機+GPRS開發(fā)板)、GPRS通信網(wǎng)(包括基站控制器BSC、服務(wù)支持節(jié)點、骨干網(wǎng)以及業(yè)務(wù)支持節(jié)點等)和監(jiān)控中心部分

移動臺通過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服務(wù)支持節(jié)點SGSN，通過SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點GGSN通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)處理，發(fā)送到Internet上，實現(xiàn)移動臺與監(jiān)控中心的通信。

監(jiān)控中心主要由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及顯示器組成。移動臺的數(shù)據(jù)信息通過GPRS網(wǎng)傳至GPRS網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過Internet以IP協(xié)議將這些信息發(fā)至監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。監(jiān)控中心的控制信息亦通過此通信鏈路下達移動臺：來自Internet標識有移動臺地址的TP包，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)SGSN，繼而傳送到移動臺。

2 圖像傳輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計
系統(tǒng)的發(fā)送端硬件部分主要是移動臺MS部分，包括移動終端(MT)和終端設(shè)備(TE)。TE即控制機，設(shè)計采用PC機對MT實行通信控制。MT主要基于GPRS／GSM模塊，需連接外圍電路構(gòu)成完整的移動終端。移動終端通過接收控制機發(fā)送的AT指令實現(xiàn)各種無線通信功能。

2．1 GPRS無線模塊的功能及接口
GPRS模塊是整個移動終端的核心，采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模塊。Q2406B為GPRSl0級產(chǎn)品，與外部電路的接口由一個60引腳的通用連接器提供。Q2406B屬WISMO 2D系列，在機件特質(zhì)、倒模、軟件及硬件接口方面與WISMO 2C完全兼容，包含以前型號模塊的所有功能。由于嵌入了可選TCP／IP協(xié)議棧，直接通過AT指令就能接入Intemet，省去了常用的TCP/IP處理模塊及編程時調(diào)用各種API函數(shù)的繁瑣。Q2406B模塊的功能接口描述如圖2所示。

(1)電源接口：給模塊射頻部分供電一般為3．6V，基帶部分供電不得低于3．1V?？刹捎梅喜y系數(shù)要求的電源作為輸入。同時為兩部分供電。
(2)SIM卡接口：提供了符合GSMll．12規(guī)范的3VSIM卡接口。若要連接5V SIM卡(GSM11．11規(guī)范)，可外接3～5V電平轉(zhuǎn)換器(如LTCl555)實現(xiàn)。
(3)話音輸入輸出接口：包括兩路話筒輸入輸出接口。
(4)RF天線電路接口：有直接和非直接兩種天線連接方式。
(5)I／O接口：包括GPIO接口、uART接口、鍵盤及SPI接口。

2.2 電路功能接口實現(xiàn)
Q2406B模塊與外圍電路連接，移動終端硬件設(shè)計框圖如圖3所示。

(1)供電：外部供電要穩(wěn)定，若小于3．3V則GPRS模塊無法登錄網(wǎng)絡(luò)；若大于4．5V，則會燒壞模塊。
(2)UART串口：移動終端通過UART與控制機串口通信，接收AT指令和傳輸數(shù)據(jù)。Q2406B模塊是TTL器件，串口不能直接與’PC機的EIA-RS-232C連接器相連，采用MAX3237驅(qū)動串口。

與02406B進行串口通信至少需要四種信號：TXD、RXD、RTS和CTS。后兩種信號用于硬件流控制，防止傳輸時數(shù)據(jù)丟失。詳見通信軟件設(shè)計部分。

(3)SIM卡接口：3V SIM卡檢測信號輸出，但Q2406B模塊提供了SIM卡檢測輸入引腳SIMPRES，且SIMPRES信號由低變高表示SIM卡插入，為使模塊能檢測到SIM卡，設(shè)計直接將SIMPRES管腳連高電平
 

(4)音頻處理：兩路音頻接口中一路自帶偏置，一路需外接偏置。音頻接口內(nèi)部連接了運放，差分模式比單端模式更利于防止噪聲，所以兩路都采用差分連接，通過電容電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)可連接電話手柄進行通話。

(5)RF天線匹配采用非直接連接法。使用阻抗為50Ω的同軸電纜，與GPRS模塊射頻部分的傳輸阻抗匹配。電纜另一端連接阻抗亦為50Ω的天線，大大減小了回波反射，設(shè)備移動靈活。
 

(6)設(shè)計還包括一些輔助電路：軟件下載電路、LED指示燈電路、開關(guān)及復(fù)位電路，可使硬件平臺更有效、安全地工作。
 

2.3 系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計
電磁干擾是無線終端設(shè)計中需重點考慮的環(huán)節(jié)。GPRS模塊的工作頻率在900/1 800MHz，發(fā)射功率峰值達2W，處理不當，會對外圍電路產(chǎn)生干擾?？朔黝惛蓴_．確保穩(wěn)定工作是布板首要考慮的問題。本設(shè)計從以下幾方面采取措施：

(1)盡量采用貼片封裝的器件，避免采用DIP類型的器件，減小電流發(fā)射(感應(yīng))環(huán)路面積，同時節(jié)約了板圖面積。
(2)采用四層PCB板，保證信號和電源的完整性，避免傳輸過程中的損耗，把供電和地彈噪聲降到最小。良好的接地還能起到更好的靜電保護和散熱作用，設(shè)計對所有信號(模擬／數(shù)字，射頻)使用同一地線。
(3)對重點信號布線著重考慮。為保護SIM卡及串口輸出等敏感部分免受射頻及尖峰脈沖干擾，采用高速防靜電管ESDA6V1L、DAI6V1L加以保護；音頻信號線采用地線隔離、屏蔽，以減小外界的干擾。
(4)合理布置器件的位置，減小走線長度，SIM卡接口線長度應(yīng)小于lOom。
(5)供電線路旁增加去耦電容，保證供電穩(wěn)定。

2.4 系統(tǒng)熱防護設(shè)計
02406B的工作溫度為一20叫~+55℃，RF發(fā)射功率較大，應(yīng)進行散熱設(shè)計，防止長時間工作產(chǎn)生的熱量燒壞模塊。
(1)把Q2406B模塊隔離罩上的接地管腳同時焊到PCB板兩面，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)元件布局也要注意散熱：大功率的GPRS模塊靠邊放置，便于散熱；發(fā)射天線附件不放元件，特別是電容，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
3．1 設(shè)計目的
軟件設(shè)計目的：通過向GPRS模塊發(fā)送AT指令，控制移動終端的通信過程，使移動臺能借助GPRS提供的網(wǎng)關(guān)和路由接入Intemet，并通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議完成與Internet上監(jiān)控中心傳輸圖像數(shù)據(jù)的任務(wù)。

基于以上要求，設(shè)計了通信軟件，即GPRS客戶端軟件和服務(wù)器端軟件。

3．2 GPRS無線模塊通信指令
WISMO 2D模塊的軟件部分對外提供了控制系統(tǒng)操作的AT指令集，通過接收來自UART的AT指令，解釋并執(zhí)行相應(yīng)操作，實現(xiàn)無線Modem相應(yīng)功能。

由于編寫的程序過長，只列出進行TCP傳輸用到的主要AT指令：
AT+CGREG=1；//設(shè)置GPRS注冊狀態(tài)
AT+CGATT=l；//GPRS網(wǎng)絡(luò)附著
AT#APNSERV=“CMNET”；//設(shè)置GPRS接入點
AT#APNUN=″″；//身份驗證用戶名設(shè)為空
AT#APNPW=″″；//身份驗證密碼設(shè)為空
AT# ConnectionStart；//連接CPRS網(wǎng)登錄Internet，成功返回動態(tài)分配的IP地址
AT#TCPSERV=″202.112.135.203″：//設(shè)置服務(wù)器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；//打開與遠程服務(wù)器的TCP連接

TCP連接成功后，GPRS模塊進入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)，這時就可通過串口向GPRS模塊發(fā)送圖像數(shù)據(jù)，模塊通過Socket發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心也能向模塊發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳完后控制機向GPRS模塊發(fā)送終止字符，移動終端又回到AT指令接收狀態(tài)。

3.3 GPRS客戶端軟件
運行于控制機上的客戶端軟件具有以下功能：
(1)串口通信，包括AT指令通信和數(shù)據(jù)文件通信。
(2)顯示傳輸過程計時，用于測試系統(tǒng)的傳輸速率。
(3)中止GPRS模塊TCP協(xié)議棧通信。系統(tǒng)傳輸出錯時中止協(xié)議棧工作。

Q2406B內(nèi)嵌TCP協(xié)議棧的緩存區(qū)有限，若串口寫入速率遠高于GPRS傳輸速率，協(xié)議棧將會丟失數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕仨氝M行流控制。設(shè)計中采用了兩種流控制方法：數(shù)據(jù)分包法和硬件握手法。

采用數(shù)據(jù)分包法的GPRS客戶端傳輸圖像文件流程圖如圖4所示。該方法將圖像文件先打成若干個小數(shù)據(jù)包，逐個寫入串口，由GPRS模塊發(fā)送。監(jiān)控中心的服務(wù)器端接收完一個數(shù)據(jù)包后返回應(yīng)答幀，GPRS模塊再發(fā)下一個數(shù)據(jù)包。若超時還未返回應(yīng)答幀，則重發(fā)上一個數(shù)據(jù)包。此法犧牲了一定時間，但很好地保證了圖像傳輸?shù)目煽啃浴?/P>

硬件握手法采用9線串口中的硬件握手信號：RTS/CTS做流控制。系統(tǒng)工作時?？刂茩C使用RTS啟動GPRS模塊的數(shù)據(jù)流，GPRS模塊用CTS啟動和暫停來自控制機的數(shù)據(jù)流。當緩存區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)量達到高位時，模塊將CTS線置低電平，控制機程序檢測到CTS為低后，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到協(xié)議棧緩存區(qū)的數(shù)據(jù)量低于低位而將CTS置高電平。

此法也可保證寫入數(shù)據(jù)不丟失，而且傳輸圖像文件的耗時低于前種方法。但它不能用于簡化的三線串口協(xié)議，也不能如前種方法那樣檢測到GPRS數(shù)據(jù)傳輸過程中的丟包現(xiàn)象，通過重發(fā)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)采用多個移動終端都與監(jiān)控中心服務(wù)器連接的方法。服務(wù)器采用普通Internet上的主機方式，作為TCP服務(wù)器端，具有靜態(tài)公網(wǎng)IP，開放了偵聽端口，可從外部訪問，其上運行TCP端口監(jiān)聽程序，接收來自移動臺的TCP數(shù)據(jù)包，并向移動臺發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)。采用數(shù)據(jù)分包法的GPRS服務(wù)器端接收圖像文件流程如圖5所示。該服務(wù)器端軟件具有以下功能：(1)監(jiān)聽TCP端口；(2)接收數(shù)據(jù)包，發(fā)送接收應(yīng)答幀；(3)顯示接收數(shù)據(jù)和大小，保存圖像文件。

本系統(tǒng)的發(fā)送端設(shè)計了兩種流控制方法，一種從硬件上實現(xiàn)，另一種從軟件上實現(xiàn)。前者在網(wǎng)絡(luò)狀況穩(wěn)定的情況下，傳輸速度較快。后者可有效保證整個GPRS傳輸過程的穩(wěn)定可靠，并能直接用于簡化的三線串口協(xié)議，當控制機采用嵌入式微處理器時，能方便地與微處理器串口相連，無需串口轉(zhuǎn)換芯片。

使用中國移動提供的普通GPRS業(yè)務(wù)進行測試，本系統(tǒng)的傳輸速率可達10kbps，大量測試中未出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的情況，整套系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。同時也可勝任傳輸任何形式的文件數(shù)據(jù)，應(yīng)用于需要遠程傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中。