780 MHz 物联网开发平台的设计与实现

王 平，彭 杰，严 冬

(重庆邮电大学工业物联网与网络化控制教育部重点实验室，重庆 400065)

0 引言

物联网是信息产业领域未来竞争的制高点和产业升级的核心驱动力、是衡量一个国家综合国力的重要标志，在军事、民用及工商业领域都具有广阔的应用前景。

目前，随着无线通信技术、传感器技术、信息处理技术的快速发展，物联网技术已相对成熟，开始进入全面开发和应用阶段。为了降低物联网系统开发难度、推进物联网技术与产业的发展，利用实验室在物联网领域的技术优势，结合实际开发需要，研制了一套基于780 MHz频段的物联网开发平台。平台集成了嵌入式技术、射频技术以及实验室自主开发的6LoWPAN协议栈，实现了非常紧凑、高效的IP，消除了以前造成各种专门标准和专有协议的因素。这在工业协议(BACNet，LonWorks，通用工业协议和监控与数据采集)领域具有特别的价值。

1 系统结构

物联网开发平台(见图1)包括1个WSN/3G嵌入式网关、1个粉尘传感器、1个甲烷传感器、2个温湿度传感器、2烟雾传感器、6LoWPAN协议栈和上位机监控软件。

图1 780 MHz物联网开发平台Fig.1 780 MHz band IoT development platform

利用平台可以组建一个小型的6LoWPAN子网，如图2所示。WSN子网通过网关可以和3G网络进行通信，也可实现远程访问。

图2 780 MHz物联网开发平台系统结构Fig.2 System architecture of 780 MHz band IoT development platform

6LoWPAN网络采用动态组网方式以及分布式短地址分配方法。6LoWPAN组网的过程如下:协调器首先初始化网络，如个域网标识符(personal area network ID，PANID)，信道和 MAC(media access control)地址等参数。协调器形成网络之后周期性广播IEEE 802.15.4信标帧，用于其他6LoWPAN路由器和节点的入网。6LoWPAN路由器和节点侦听信道、接收信标帧，然后发送连接请求。当协调器收到连接请求之后通过分布式短地址分配方法给待入网设备分配一个16位短地址。入网后的路由器周期性广播信标帧，节点可以选择路由器或者协调器作为父设备入网。入网后的节点获得16位短地址，不发送信标帧。

网关启动之后，周期性地广播路由广告消息RA。接收到RA的设备(路由器和节点)解析前缀选项，通过无状态地址自配置方法生成128位IPv6地址，从而完成了组网过程。

2 系统硬件设计

2.1 780 MHz无线模块

平台设计了780 MHz无线射频模块作为收发器，780 MHz无线射频模块选用的无线收发器是爱特梅尔公司(Atmel Corporation)公司的AT86RF212芯片，它是Atmel推出的首个面向中国无线市场的IEEE 802.15.4C 兼容780 MHz的RF(radio frequency)收发器。780 MHz无线射频模块支持IEEE802.15.4/ZIGBEE协议，平台中，780 MHz模块组成的网络使用了基于 IEEE 802.15.4实现 IPv6通信的IETF 6LoWPAN协议。

由于该芯片只是一个独立的RF收发器，因此在设计时采用了Atmel公司一款AVR单片机Atmega2561芯片作为模块的控制器。780 MHz无线模块的硬件结构框图如下图3所示。

图3 780 MHz无线模块的硬件结构框图Fig.3 Hardware structure of 780 MHz wireless modules

整个模块电路包括:微控制器电路、射频电路、存储电路、晶振电路、复位电路、电源电路、天线、外围通信调试接口电路。微处理器ATMega2561，其工作主频达8 MHz，内部集成了256 KB的Flash，4 KB的EEPROM，8 KB的 RAM，提供了2个 Uarts，8路10位的ADC(analog to digital converter)。晶振电路包括:为微控制器工作时提供时钟信号的8 MHz晶振和为休眠时提供时钟信号的32.768 KHz晶振以及为射频芯片提供工作时钟的16 MHZ晶振。

2.1.1 射频电路

本设计中微控制器通过通用同步串口SPI(serial peripheral interface)和附加控制信号实现与RF收发器AT86RF212的通信和控制，微控制器采用的是Atmel公司的一款AVR单片机Atmega2561。

AT86RF212提供了在天线与微控制器之间的完备的集成设计，包括模拟RF器件、数字调制与解调器、时间同步和频率同步以及数据缓冲器。优化的集成设计使得其外围的器件非常少，只需外置两个旁路电容、平衡滤波器和天线，无需外部天线开关，其双向差分天线引脚用于发送和接收。如外接PA的话，可以通过2个差分操作的数字控制信号实现对外部PA的控制。此外，基于AT86RF212收发器的电路设计没有将AT86RF212的CLKM信号输出作为微控制器的时钟源，因而在收发器初始化时关闭该引脚的输出［1］。此外，其内部的低压差电压调节器可为数字域或模拟部分提供1.8 V的电源，当该电压调节器关闭时，控制寄存器将保持在睡眠模式下的各项设置。

2.1.2 控制单元电路

芯片输入采用3.3 V输入电源，XTAL2，XTAL1引脚作为片内振荡器反向放大器的输入和输出，外接了由一个8 MHz的无源晶振和2片15 PF的起振电容组成的震荡电路。考虑到模块的低功耗设计，芯片外围上设计有32.768 KHz的石英晶体作为休眠时钟源，休眠模式下可以通过应用程序关闭微控制器中没有使用的功能模块，从而降低功耗，进入休眠模式的操作是置位寄存器MCUCR的SE，由该寄存器的SM0，SM1，SM2决定进入哪种休眠模式(空闲模式、掉电模式、省电模式、ADC噪声抑制模式、Standby模式以及扩展的Standby模式)，然后执行SLEEP指令。当需要唤醒时，可以通过使能中断将休眠状态的微控制器唤醒，而唤醒时寄存器配置文件和SRAM的内容不会改变。AREF为ADC的模拟基准输入引脚，AVCC为ADC转换器的电源输入，通过一个低通滤波器连接电源。

2.2 780 MHz无线传感器节点

传感器节点包括无线收发模块以及供电和测量模块。这里主要讲述测量模块。

2.2.1 780 MHz无线温湿度传感器

该传感器的采集前端采用的SHT75单芯片传感器，它是由瑞士Sensirion推出的一款温湿度传感器，包括一个能隙式测温元件和一个电容式聚合体测湿元件，其输出是经校准的数字信号，与780 MHz模块之间采用的串行口I2C(Inter-IC)通信方式［2］，因而，该传感器具有响应时间快、抗干扰能力强、性价比高等优点。

处理器对传感器的信号采集是通过780 MHz无线模块微控制器Atmega2561的两个I/O口来分别与传感器SHT75的SCK引脚和DATA引脚相连，通过I2C总线方式来实现数据的获取;DVCC与3.3 V电压相连。为避免信号冲突，微处理器驱动DATA，因此，在I/O电路的低电平的引脚上一个10 KΩ的电阻拉至3.3 V高电平。

温湿度传感器传感器的工作电压为3.8 V，功耗一般不超过105 mW，湿度测量为15～90%RH(Relative Humidity)±1.8%RH，温度测量为－40 ℃ ～123.8 ℃ ±0.3 ℃。

2.2.2 780 MHz无线瓦斯传感器

设计采用的是NAP-50A型瓦斯传感器，它是一种触媒接触燃烧式感应器，具有功耗小、感应灵敏度高、良好的稳定性等优点，其对于城市燃气浓度的测量输出具有良好的直线性关系，因而具有较高的输出精度。

该传感器输出为差分小信号，因此需要前置放大电路［3］，设计采用的是INA114放大器，INA114只需改变外部电阻R就可以设置1～10 000的任意增益值。增益的计算公式为G=1+50 K/R。公式(1)为放大电路的输出计算公式。

(1)式中:V0为放大电路输出;Vi+，Vi－为差分小信号输入;G为放大增益。

根据放大电路的输出(基于传感器输出压差的改变)即可测得外界气体的浓度。该放大器电源输入采用±5 V，在该电源输入下，INA114能很好地保证信号线性稳定输出。

甲烷传感器的工作电压为3.8 V，功耗一般不超过195 mW，测试浓度为0.05～5%，高精度检测允许的浓度为0.05～2%，环境湿度要求是小于95%RH，允许的环境温度为－10℃ ～50℃。

2.2.3 780 MHz无线粉尘传感器

设计采用了韩国Syhitech公司的一种DSM501型半导体气体粉尘传感器。其具有较高的感应灵敏度、快速的响应时间、良好的稳定性。其输出为PWM输出，当检测到空气清洁时输出4.5 V高电平，检测到粉尘时输出0.7 V低电平，根据一个周期内低电平脉冲所占的百分比的原理获得空气中粉尘的浓度。信号传输采用AD方式。粉尘传感器的工作电源为3.8 V，功耗小于530 mW，空气中检测到有颗粒物时，传感器的响应时间为60 s，检测的浓度范围为15 000个/283 ml，环境湿度要求小于90%RH，环境温度在－20℃ ～50℃。

2.3 WSN/3G 网关

平台选用32位ARM9内核的S3C2440嵌入式微处理器［4］，移植 Linux操作系统，设计完成了WSN/3G网关，图4为网关的结构图，这里以TDSCDMA(time division-synchronous code division multiple access)网络为接入网络示例说明。

图4 网关硬件结构图Fig.4 Hardware structure of gateway

电源管理模块:针对网关系统各个模块对供电的需求，负责为网关系统中的各个模块提供稳定可靠的电源。

WSN子网收发模块:基于IEEE802.15.4C标准的780 MHz频段，负责与WSN子网数据信息的交互，它担当整个WSN子网无线协调者的身份，负责网络的建立、管理、网络地址的分配、数据的上传/下传等。针对IEEE802.15.4C标准下的780 MHz频段的4个信道，在协议栈移植时可以自主选择。

TD-SCDMA网络无线收发模块:负责网关数据信息与TD-SCDMA网络数据信息的交互，完成主控制模块与TD移动网络实时、高速地通信。

主控制模块:负责处理WSN子网和TD网络上传数据及协议转换。该模块具有强大的数据处理能力和丰富的硬件资源。

PC机通信调试接口模块:负责网关与PC机的实时高速的通信以及程序的调试和下载。

2.3.1 网关电源管理模块

系统工作需要4种标准电压，选取的电压转换芯片为:LDO(low dropout regulator)类型的AS1117-3.3，XC6203E，DC/DC类型的 LM2576S-5V及 LM2576SADJ。系统总电源输入采用的是9 V标准电源。

第1路电源:采用一款美国国家半导体公司的产品LM2576S-5 V，它属于单片降压式DC/DC稳压器，其具有较宽的输入电压:7～40 V，输出电压为5 V;AS1117-3.3是一款输出为3.3 V的线性稳压器。该电源主要为WSN模块、USB扩展模块、串口转换模块、RJ45网口、USB接口(host)等提供稳定的工作电压。

第2路电源:采用LM2576系列中一款输出电压可调的DC/DC转换芯片LM2576S-ADJ，从而获得了需要的4.0 V电压。采用TOREX(特瑞仕)生产的高精度、高效能的LDO型电压调节器XC6203E系列，该系列能提供小压差大电流的输出，最大输入电压为8 V，该电源为LC6311模块供电。

这两路电源提供了网关所需的4种标准电源。

2.3.2 网关接入模块

网络接入模块采用的是大唐电信推出的LC6311无线3G模块，它是一款 TD-HSDPA＆GGE双模无线模块，包括电源、两个通用异步UART接口、USIM卡电路接口、USB通信接口、控制信号等。该模块与主控制单元采用的是USB通信方式，遵循USB1.1规范，在高速方式下12 Mbit/s的传输速度完全能满足网关系统的通信需求［5］。

2.3.3 以太网接口电路

核心板中以太网控制器选用的是DM9000A以太网接口芯片。网关通过以太网口发送数据包的原理是处理器先将待发送的数据存入到内部存储器，提供发送缓冲区的首地址和数据长度，然后执行发送命令，DM9000A将数据按 TCP/IP(transmission control protocol/Internet protocol)协议格式发送到物理链路上［6］，因以太网信号电平与以太网控制器信号电平不同，所以在硬件电路实现上需要在控制器与RJ-45接口间增加一个网络变压器TRC9016。

2.3.4 USB 接口电路

为了实现主控制单元与TD模块高速通信，主控制单元与TD模块采用USB(universal serial bus)通信方式，其中LC6311模块遵循USB1.1规范，主控制单元在Linux系统下提供一路遵循OHCI1.0规范Host接口、一路遵循USB1.1规范Device接口。其中Device接口用于与PC机通信。LC6311模块功能上可作为一个USB从设备，在电路设计时，选用了一款HUB芯片，将一路USB主设备接口扩展成2路［7］，其中一路用于主控制单元与TD模块板间通信，一路由标准USB接口接出，用于接其他外围从设备。选用的集线器HUB芯片是AU9254A21。2.3.4 JTAG 和 RS232串口电路

S3C2440a在进行调试时支持JTAG(joint test action group)在线操作，所用的JTAG口为通用的标准20针接口，此接口可以与计算机中的并行数据接口连接，通过JTAG和PC机的并口间建立设备与PC机上开发软件的连接，设计方法按照通用的JTAG连接方法［8］。为了方便网关设备与上位机数据的通信，网关硬件中设计了一个通用异步串口UART(universal asynchronous receiver/transmitter)，适用于一些数据量小、数据传输速度要求不高的通信环境。但在实际串口通信时，由于测试设备与上位机串口信号电平不兼容，在设计串口电路时，要考虑信号电平的转换［9］。设计中采用的是MAX3232串口转换芯片，实现CMOS信号电平与RS232信号电平的转换。

3 案例

目前该平台已在思科系统中国研发中心(CISCO)建立了测试系统，进行端到端的全IPv6通过测试。WSN/3G网关和思科机房中的IPv6服务器相连，图5为 WSN节点在思科机房里组成的6LoWPAN网络。

图5 WSN无线传感器节点和智能仪器仪表Fig.5 WSN wireless sensor node and intelligent instruments

图6是上位机设备监控界面。系统中，无线传感器节点以及智能仪表将采集到的数据，发送至路由节点，路由节点将数据转发至网关，网关通过以太网接入服务器，服务器将数据发送到上位机。通过界面可以监控各个节点的运行情况，也可下发读取6LoWPAN子网节点的设备信息指令，节点在收到指令后，即返回自身的MAC地址信息，并在界面显示中弹出相应设备的MAC地址。

图6 上位机监控界面Fig.6 PC monitor interface

4 结束语

物联网技术对社会经济发展、产业结构调整、发展方式转变和国家安全具有非常重要的作用和战略意义。本文从硬件上介绍了基于780 MHz频段的物联网开发平台及配套的物联网产品开发套件，并讲述了平台的组网方式和测试结果。利用平台来开发物联网，可有效降低物联网系统开发难度，可简便地开发智能家居、环境监测、智能交通等应用系统，推进物联网技术与产业的应用。平台理论和实践相结合，深入浅出，让开发者对物联网有全面直观的认识。

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