基于远程通讯协议的控制器设计

吴维健 刘继伟 刘俊芳

摘 要：论文设计了一种基于远程通讯协议的控制器，采用常见的ZigBee协议，具有功耗低、成本低、数据传输安全等级高等优点，能够通过无线网络实现数据传输与信息共享。论文设计的控制器可以实现家庭或生产现场不同设备间的连接，测试表明控制器运行稳定可靠，具有较强的实用价值。

关键词：远程传输；嵌入式系统；ZigBee

一、引言

随着“中国制造2025”战略的持续推进，传统制造业面临着向智能制造转型升级的历史路口。传统制造业正逐渐向自动化、信息化、智能化转型升级。自2009年物联网技术被列为国家“新兴战略性产业”后，我国的无线网络数据传输技术越来越成熟，自动化与信息化的深入融合促使制造效率飞速提升，产品、设备的安全性、稳定性也得到了极大保证。

实现不同设备之间进行数据传输与信息交互，是实现智能化的基础与前提。大量专家学者对此进行了深入研究，并提出了多种行之有效的解决方案，例如吕红伟等研究了一种基于ZigBee技术设计的无线智能插座系统，该系统以CC2530芯片为核心，并结合GSM技术，实现手机对终端家电设备的远程控制，该系统具有无线通信、过压过流保护、实时监测负载的工作状态（如电压、电流、用电量），并对用户用电量进行统计和分析的功能。[1]李妤薇等设计了一种基于ZigBee的远程机房环境监测系统，该系统以ZigBee技术研究构建一个无线传感器网络，实现远程机房内温湿度、空调运行状况、消防烟感、红外入侵、门禁电磁锁控制和电源系统等综合环境监测。[2]王彰云等设计了一种基于ARM嵌入式的智能路灯终端控制系統，运用ZigBee通信技术、传感器技术、GPRS技术以及ARM嵌入式等技术，实现对城市路灯的智能远程控制。[3]随着自动化、智能化、信息化的互相融合，利用无线网络进行各设备间数据传输的方式将会成为工业、家庭等环境下应用最为广泛的方式。

本文提出了一种基于远程通讯协议的控制器，其以目前广泛应用的ZigBee协议为基础完成远程数据的传输与信息的共享，其具较高的传输安全等级，能够进行无线网络通讯等。本文设计的基于远程通讯协议的控制器，能够极大简化数据校验的过程，并具有较高的安全性和稳定性，适用于多种场合。

二、ZigBee协议

ZigBee协议是一种新兴的无线通信技术，是由TI公司和Micropelt公司共同推出的。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是为适用于各种电磁干扰的工业现场，且适应于通信效率非常低、资源受限、不可靠的网络的远程传感器和控制设备的通讯而设计的协议， 其主要适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，它具有以下主要的几项特性[4]：低功耗、时延短、低成本、网络建立、网络容量大、可靠、安全。

实现ZigBee协议需要客户端和服务器端通讯完成，在通讯过程中，ZigBee协议中有三种身份：协调者（Coordinator）、路由节点（Rooter）、终端设备（Enddivice）。其中，消息的终端设备是客户端，协调者和路由节点都是服务器端，路由节点除了不能建立网络之外，和协调者基本类似，而终端设备是连接到路由节点或协调者。

在ZigBee协议中，ZigBee网络结构由物理层（PHY层）、网络层（NWK层） 、应用层（APL层）三部分构成，结构如图1所示：

三、基于远程通讯协议的控制器

本文设计的基于远程通讯协议的控制器以意法半导体公司的STM32F446RE为核心的控制器，其具有Cortex-M4内核，最高主频可达到180MHz。

嵌入式控制器主要包括以下子系统：

（1）电源子系统。电源子系统主要为STM32F446RE及其他设备提供电源，其能够将输入的24V电源转化为5V电源，并具有隔离功能，能够有效隔绝外界的电磁干扰；

（2）数字量输入子系统。该子系统能够提供工业常见的NPN型24V数字量输入，并采用高速光耦进行隔离；

（3）数字量输出子系统。该子系统能够提供工业常见的PNP型24V数字量输出，输出速率达到1MHz，采用Mosfet作为驱动系统，最大驱动电流高达27A，可以直接驱动绝大部分常见的外设；

（4）ZigBee通讯子系统。ZigBee通讯子系统提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据稳定可靠的传输功能。

论文设计的远程传输的嵌入式控制器PCB电路设计图如图2所示：

四、结论

本文设计了一种基于远程通讯协议的控制器，其使用ZigBee协议，具有能耗低、成本低、网络容量大等优点，能够通过无线网络完成不同设备间的数据通讯与信息共享，并具有较高的安全性和稳定性，适用于多种通讯场合。此外，本文设计的控制器还带有数字量输入输出功能，并具有较大的驱动电流。测试表明，该控制器运行稳定、可靠，能够满足用户需求。

参考文献：

[1] 吕红伟，徐文尚，吴明宽. 基于ZigBee技术的无线智能插座设计[J]. 工业控制计算机，2015，1001-182X

[2] 李妤薇.基于ZigBee的远程机房环境监测系统设计[J].中国新通信，2017， 1673-4866

[3]王彰云.基于ARM嵌入式的智能路灯终端控制系统设计[J].电工技术，2018， 1002-1388

[4] Wang Yuan，Chen Keshan，Xue Chao，Li Hongjian.Design and implementation for ZigBee long-distance wireless data transmission system[IEEE会议论文]. Electronic Measurement & Instruments （ICEMI）， June 15， 2011

（注：天津理工大学中环信息学院大学生创新创业训练计划项目资助项目）