基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設計
基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設計摘要:介紹了一種GPRS無線靜止圖像傳輸系統的軟硬件實現方案，重點介紹了終端移動臺和通過互聯網傳輸圖像數據的通信軟件的設計。此外，本文還介紹了GPRS客戶端在無線網絡數據傳輸中使用的兩種流量控制方法。關鍵詞:GPRS無線網絡通信TCP/IP協議圖像傳輸
GPRS是在GSM系統中提供分組服務的一種方式。對于從2G到3G的過渡，GPRS是將移動通信與IP相結合的最廣泛使用的技術解決方案。由于GPRS具有實時在線、按量計費、登錄快、傳輸速度快、覆蓋面廣等優點，電力抄表、金融證券、智能交通等部門正逐步采用GPRS進行遠程監控和數據傳輸。在各種數據服務中，圖像傳輸的應用最具代表性。目前，GPRS的快速發展也面臨著許多問題:GPRS業務的各種應用軟件還有待開發；還需要生產大量的多功能GPRS終端設備。
摘要:基于當前GPRS的發展，研究了如何利用GPRS技術傳輸靜止圖像，以及如何通過GPRS無線網絡驅動GPRS模塊連接互聯網，實現移動臺與公網監控中心之間可靠的無線數據通信。其優點是:(1)無線上網，適合移動目標；(2)覆蓋范圍廣，適用于偏遠、分散的目標；(3)傳輸可靠，傳輸速率遠高于GSM系統。
GPRS無線通信系統的總體結構GPRS無線通信系統的結構圖如圖1所示。該系統主要由三部分組成:移動臺(MS)(控制器+GPRS開發板)、GPRS通信網絡(包括基站控制器BSC、業務支撐節點、骨干網和業務支撐節點等。)和監控中心。
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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業務支持節點SGSN，后者與GPRS網關支持節點GGSN進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，并發送到互聯網上，實現移動臺與監控中心之間的通信。
監控中心主要由網絡服務器和監控器組成。移動臺的數據信息通過GPRS網絡傳輸到GPRS網關。網關通過互聯網以IP協議將信息發送到監控中心的網絡服務器。監控中心的控制信息也通過這條通信鏈路發送到移動臺:來自互聯網的標有移動臺地址的TP包被GGSN接收，然后轉發到SGSN，再傳送到移動臺。
2圖像傳輸系統的硬件設計系統發送端的硬件部分主要是移動臺MS部分，包括移動終端(MT)和終端設備(TE)。TE控制器，設計用于使用PC控制MT通信。MT主要基于GPRS/GSM模塊，需要與外圍電路連接，形成完整的移動終端。移動終端通過接收控制器發送的AT命令來實現各種無線通信功能。
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產品，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，在機械特性、模具反轉、軟硬件接口等方面與WISMO 2C完全兼容，包含了之前機型的所有功能。由于內嵌了可選的TCP/IP協議棧，可以直接通過AT指令訪問Intemet，省去了編程時常用的TCP/IP處理模塊和繁瑣的各種API函數調用。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要求的電源作為輸入。同時為兩個部分供電。(2)SIM卡接口:提供符合GSMll.12規范的3VSIM卡接口。如果要接5V SIM卡(GSM11.11規格)，可以接3 ~ 5V電平轉換器(比如LTCl555)。(3)語音輸入/輸出接口:包括兩個麥克風輸入/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電路功能接口實現Q2406B模塊與外圍電路的連接，移動終端硬件設計框圖如圖3所示。
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(1)電源:外部電源要穩定，如果低于3.3V，GPRS模塊無法登錄網絡；如果高于4.5V，會燒壞模塊。(2)UART串口:移動終端通過UART串口與控制器通信，接收AT命令，發送數據。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驅動。
與02406B的串行通信至少需要四個信號:TXD、RXD、RTS和CTS。后兩個信號用于硬件流量控制，以防止傳輸過程中的數據丟失。詳情參見通信軟件設計部分。
(3)SIM卡接口:3V SIM卡檢測信號輸出，但Q2406B模塊提供單工卡檢測輸入pin，單工信號由低變高表示SIM卡插入。為了使模塊能夠檢測SIM卡，它被設計成將單工引腳直接連接到高電平。
(4)音頻處理:兩個音頻接口一個自帶偏移，一個需要外部偏移。音頻接口內部連接有運算放大器，差分模式比單端模式更有利于防噪，所以兩個通道都是差分連接，通過電容和電感組成的濾波網絡可以連接電話手柄進行通話。
(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，使設備移動靈活。
(6)設計中還包括一些輔助電路:軟件下載電路、LED指示燈電路、開關和復位電路，可以使硬件平臺更有效、更安全地工作。
2.3系統電磁兼容性設計電磁干擾是無線終端設計中的關鍵考慮因素。GPRS模塊工作頻率為900/1 800MHz，峰值發射功率達到2 W，處理不當會對外圍電路造成干擾。克服各種干擾。確保工作穩定是布局板的首要考慮因素。本設計從以下幾個方面采取措施:
(1)盡量使用芯片封裝器件，避免使用DIP型器件，減少電流發射(感應)回路面積，同時節省板面積。(2)采用四層PCB，保證信號和電源的完整性，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和散熱作用。該設計對所有信號(模擬/數字、射頻)使用相同的接地線。(3)重點關注關鍵信號的布線。為了保護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進行保護。音頻信號線用地線隔離屏蔽，減少外界干擾。(4)合理安排設備位置，減少接線長度。SIM卡接口線的長度應小于織機。(5)在供電線路旁增加去耦電容，保證供電的穩定性。
2.4系統熱保護設計02406B工作溫度-20℃~+55℃，射頻發射功率高。應進行散熱設計，防止模塊被長時間工作產生的熱量燒壞。(1)將Q2406B模塊隔離蓋上的接地引腳同時焊接到PCB板的兩側，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圖像傳輸系統的軟件設計3.1設計目的軟件設計目的:通過向GPRS模塊發送AT命令，控制移動終端的通信過程，使移動臺能夠借助GPRS提供的網關和路由訪問Internet，通過TCP/IP網絡協議完成與Internet上的監控中心傳輸圖像數據的任務。
基于以上需求，設計了通信軟件，即GPRS客戶端軟件和服務器軟件。
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運行的AT指令集。通過接收來自UART的AT指令，解釋并執行相應的操作，實現無線調制解調器的相應功能。
因為程序太長，所以只列出了用于TCP傳輸的主要AT命令:AT+cgreg = 1；//設置GPRS注冊狀態為+cgatt = l；//GPRS網絡連接AT # APNServ = " CMNET//將GPRS接入點設置在# APUN =//在# apnpw = " "，認證用戶名設置為空；//驗證密碼在# connectionstart設置為空;//連接CPRS網絡登錄互聯網并成功返回動態分配的IP地址AT # TCP serv = " 202 . 112 . 135 . 203 "://設置服務器的IP地址，即監控中心的IP地址AT # tcpport = " 6000 "://設置服務器與客戶端通信的Socket端口:AT # otcp；//打開與遠程服務器的TCP連接
TCP連接成功后，GPRS模塊進入數據傳輸狀態。此時可以通過串口將圖像數據發送到GPRS模塊，通過Socket將模塊發送到監控中心，監控中心也可以向模塊發送響應數據。數據傳輸后，控制器發送終止字符< ETX >，移動終端返回到AT命令接收狀態。
3.3 GPRS客戶端軟件控制器上運行的客戶端軟件具有以下功能:(1)串行通信，包括AT命令通信和數據文件通信。(2)顯示傳輸過程計時，用于測試系統的傳輸速率。(3)停止GPRS模塊的TCP協議棧通信。當出現系統傳輸錯誤時，停止協議棧的工作。
Q2406B嵌入式TCP協議棧緩沖區有限。如果串口寫速率遠高于GPRS傳輸速率，協議棧會丟失數據。為了保證數據傳輸的可靠性，必須進行流量控制。設計中采用了兩種流量控制方式:數據包方式和硬件握手方式。
GPRS客戶端使用數據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小數據包，逐個寫入串口，由GPRS模塊發送。監控中心的服務器收到一個數據包后，返回響應幀，GPRS模塊發送下一個數據包。如果超時后仍未返回響應幀，將重新發送最后一個數據包。這種方法犧牲了一些時間，但保證了圖像傳輸的可靠性。
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硬件握手方式采用9線串口硬件握手信號:RTS/CTS進行流量控制。當系統工作時。控制器使用RTS啟動GPRS模塊的數據流，GPRS模塊使用CTS啟動和暫停來自控制器的數據流。當緩沖器中的數據量達到高電平時，模塊將CTS線設置為低電平。在控制器程序檢測到cts為低之后，它停止發送數據，直到協議棧緩沖器中的數據量低于低電平，并將CTS設置為高電平。
這種方法還可以保證寫入的數據不丟失，圖像文件傳輸的耗時小于前一種方法。但不能用在簡化的三線串口協議中，也不能像以前的方法一樣檢測GPRS數據傳輸過程中的丟包，通過重傳來保證傳輸過程的可靠性。
3.4 GPRS服務器端軟件GPRS圖像傳輸系統采用多個移動終端連接監控中心服務器的方式。服務器采用普通互聯網上的主機模式，作為TCP服務器，有一個靜態的公共IP，一個開放的監聽端口，可以從外部訪問。在其上，TCP端口監控程序運行，從移動臺接收TCP包，并向移動臺發送響應數據。GPRS服務器通過數據包方式接收圖像文件的流程如圖5所示。服務器端軟件具有以下功能:(1)監控TCP端口；(2)接收數據包，發送和接收響應幀；(3)顯示接收到的數據和尺寸，并保存圖像文件。
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本系統的發送端設計了兩種流量控制方法，一種是硬件實現，另一種是軟件實現。前者在網絡穩定的情況下速度更快。后者可以有效保證整個GPRS傳輸過程的穩定性和可靠性，可以直接用在簡化的三線串口協議中。當控制器采用嵌入式微處理器時，可以方便地與微處理器的串口連接，無需串口轉換芯片。
使用中國移動提供的通用GPRS服務進行測試，該系統傳輸速率可達10kbps。大量測試中沒有數據丟失，整個系統工作穩定可靠。同時也可以用來傳輸任何形式的文件數據，適用于需要遠程傳輸數據的系統。
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