基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信设计
基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信设计摘要:介绍了一种GPRS无线静止图像传输系统的软硬件实现方案，重点介绍了终端移动台和通过互联网传输图像数据的通信软件的设计。此外，本文还介绍了GPRS客户端在无线网络数据传输中使用的两种流量控制方法。关键词:GPRS无线网络通信TCP/IP协议图像传输
GPRS是在GSM系统中提供分组服务的一种方式。对于从2G到3G的过渡，GPRS是将移动通信与IP相结合的最广泛使用的技术解决方案。由于GPRS具有实时在线、按量计费、登录快、传输速度快、覆盖面广等优点，电力抄表、金融证券、智能交通等部门正逐步采用GPRS进行远程监控和数据传输。在各种数据服务中，图像传输的应用最具代表性。目前，GPRS的快速发展也面临着许多问题:GPRS业务的各种应用软件还有待开发；还需要生产大量的多功能GPRS终端设备。
摘要:基于当前GPRS的发展，研究了如何利用GPRS技术传输静止图像，以及如何通过GPRS无线网络驱动GPRS模块连接互联网，实现移动台与公网监控中心之间可靠的无线数据通信。其优点是:(1)无线上网，适合移动目标；(2)覆盖范围广，适用于偏远、分散的目标；(3)传输可靠，传输速率远高于GSM系统。
GPRS无线通信系统的总体结构GPRS无线通信系统的结构图如图1所示。该系统主要由三部分组成:移动台(MS)(控制器+GPRS开发板)、GPRS通信网络(包括基站控制器BSC、业务支撑节点、骨干网和业务支撑节点等。)和监控中心。
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移动台通过GPRS模块连接到改造后的GSM基站(包括BSC、BTS和PCU)，然后连接到GPRS业务支持节点SGSN，后者与GPRS网关支持节点GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，并发送到互联网上，实现移动台与监控中心之间的通信。
监控中心主要由网络服务器和监控器组成。移动台的数据信息通过GPRS网络传输到GPRS网关。网关通过互联网以IP协议将信息发送到监控中心的网络服务器。监控中心的控制信息也通过这条通信链路发送到移动台:来自互联网的标有移动台地址的TP包被GGSN接收，然后转发到SGSN，再传送到移动台。
2图像传输系统的硬件设计系统发送端的硬件部分主要是移动台MS部分，包括移动终端(MT)和终端设备(TE)。TE控制器，设计用于使用PC控制MT通信。MT主要基于GPRS/GSM模块，需要与外围电路连接，形成完整的移动终端。移动终端通过接收控制器发送的AT命令来实现各种无线通信功能。
2.1 GPRS无线模块的功能及接口GPRS模块是整个移动终端的核心，采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模块。Q2406B为GPRSl0产品，与外部电路的接口由60针通用连接器提供。Q2406B属于WISMO 2D系列，在机械特性、模具反转、软硬件接口等方面与WISMO 2C完全兼容，包含了之前机型的所有功能。由于内嵌了可选的TCP/IP协议栈，可以直接通过AT指令访问Intemet，省去了编程时常用的TCP/IP处理模块和繁琐的各种API函数调用。Q2406B模块的功能接口描述如图2所示。
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(1)电源接口:模块射频部分的电源一般为3.6V，基带部分的电源不低于3.1V，可以使用满足纹波系数要求的电源作为输入。同时为两个部分供电。(2)SIM卡接口:提供符合GSMll.12规范的3VSIM卡接口。如果要接5V SIM卡(GSM11.11规格)，可以接3 ~ 5V电平转换器(比如LTCl555)。(3)语音输入/输出接口:包括两个麦克风输入/输出接口。(4)射频天线电路接口:有直接和间接天线连接方式。(5) I/O接口:包括5)I/O接口、uART接口、键盘和SPI接口。
2.2电路功能接口实现Q2406B模块与外围电路的连接，移动终端硬件设计框图如图3所示。
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(1)电源:外部电源要稳定，如果低于3.3V，GPRS模块无法登录网络；如果高于4.5V，会烧坏模块。(2)UART串口:移动终端通过UART串口与控制器通信，接收AT命令，发送数据。Q2406B模块是TTL器件，串口不能直接与‘PC’的EIA-RS-232C接口连接，串口由MAX3237驱动。
与02406B的串行通信至少需要四个信号:TXD、RXD、RTS和CTS。后两个信号用于硬件流量控制，以防止传输过程中的数据丢失。详情参见通信软件设计部分。
(3)SIM卡接口:3V SIM卡检测信号输出，但Q2406B模块提供单工卡检测输入pin，单工信号由低变高表示SIM卡插入。为了使模块能够检测SIM卡，它被设计成将单工引脚直接连接到高电平。
(4)音频处理:两个音频接口一个自带偏移，一个需要外部偏移。音频接口内部连接有运算放大器，差分模式比单端模式更有利于防噪，所以两个通道都是差分连接，通过电容和电感组成的滤波网络可以连接电话手柄进行通话。
(5)射频天线匹配采用间接连接方式。阻抗为50ω的同轴电缆用于匹配GPRS模块射频部分的传输阻抗。电缆的另一端连接阻抗为50 ω的天线，大大降低了回波反射，使设备移动灵活。
(6)设计中还包括一些辅助电路:软件下载电路、LED指示灯电路、开关和复位电路，可以使硬件平台更有效、更安全地工作。
2.3系统电磁兼容性设计电磁干扰是无线终端设计中的关键考虑因素。GPRS模块工作频率为900/1 800MHz，峰值发射功率达到2 W，处理不当会对外围电路造成干扰。克服各种干扰。确保工作稳定是布局板的首要考虑因素。本设计从以下几个方面采取措施:
(1)尽量使用芯片封装器件，避免使用DIP型器件，减少电流发射(感应)回路面积，同时节省板面积。(2)采用四层PCB，保证信号和电源的完整性，避免传输过程中的损耗，最大限度降低电源和地弹的噪声。良好的接地还能起到更好的静电防护和散热作用。该设计对所有信号(模拟/数字、射频)使用相同的接地线。(3)重点关注关键信号的布线。为了保护SIM卡和串口输出等敏感部件免受射频和尖峰脉冲干扰，采用高速防静电管ESDA6V1L和DAI6V1L进行保护。音频信号线用地线隔离屏蔽，减少外界干扰。(4)合理安排设备位置，减少接线长度。SIM卡接口线的长度应小于织机。(5)在供电线路旁增加去耦电容，保证供电的稳定性。
2.4系统热保护设计02406B工作温度-20℃~+55℃，射频发射功率高。应进行散热设计，防止模块被长时间工作产生的热量烧坏。(1)将Q2406B模块隔离盖上的接地引脚同时焊接到PCB板的两侧，以加速模块散热。(2)选择与GPRS模块射频匹配的天线，减少天线回波反射产生的热量。(3)元器件布局也要注意散热:大功率GPRS模块放在一边，方便散热；元件，尤其是电容器，不要放在发射天线的附件中，以免电解液受热过早老化。
3图像传输系统的软件设计3.1设计目的软件设计目的:通过向GPRS模块发送AT命令，控制移动终端的通信过程，使移动台能够借助GPRS提供的网关和路由访问Internet，通过TCP/IP网络协议完成与Internet上的监控中心传输图像数据的任务。
基于以上需求，设计了通信软件，即GPRS客户端软件和服务器软件。
3.2 GPRS无线模块通信指令WISMO 2D模块的软件部分提供了控制系统运行的AT指令集。通过接收来自UART的AT指令，解释并执行相应的操作，实现无线调制解调器的相应功能。
因为程序太长，所以只列出了用于TCP传输的主要AT命令:AT+cgreg = 1；//设置GPRS注册状态为+cgatt = l；//GPRS网络连接AT # APNServ = " CMNET//将GPRS接入点设置在# APUN =//在# apnpw = " "，认证用户名设置为空；//验证密码在# connectionstart设置为空;//连接CPRS网络登录互联网并成功返回动态分配的IP地址AT # TCP serv = " 202 . 112 . 135 . 203 "://设置服务器的IP地址，即监控中心的IP地址AT # tcpport = " 6000 "://设置服务器与客户端通信的Socket端口:AT # otcp；//打开与远程服务器的TCP连接
TCP连接成功后，GPRS模块进入数据传输状态。此时可以通过串口将图像数据发送到GPRS模块，通过Socket将模块发送到监控中心，监控中心也可以向模块发送响应数据。数据传输后，控制器发送终止字符< ETX >，移动终端返回到AT命令接收状态。
3.3 GPRS客户端软件控制器上运行的客户端软件具有以下功能:(1)串行通信，包括AT命令通信和数据文件通信。(2)显示传输过程计时，用于测试系统的传输速率。(3)停止GPRS模块的TCP协议栈通信。当出现系统传输错误时，停止协议栈的工作。
Q2406B嵌入式TCP协议栈缓冲区有限。如果串口写速率远高于GPRS传输速率，协议栈会丢失数据。为了保证数据传输的可靠性，必须进行流量控制。设计中采用了两种流量控制方式:数据包方式和硬件握手方式。
GPRS客户端使用数据包方式传输图像文件的流程如图4所示。该方法首先将图像文件打成若干个小数据包，逐个写入串口，由GPRS模块发送。监控中心的服务器收到一个数据包后，返回响应帧，GPRS模块发送下一个数据包。如果超时后仍未返回响应帧，将重新发送最后一个数据包。这种方法牺牲了一些时间，但保证了图像传输的可靠性。
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硬件握手方式采用9线串口硬件握手信号:RTS/CTS进行流量控制。当系统工作时。控制器使用RTS启动GPRS模块的数据流，GPRS模块使用CTS启动和暂停来自控制器的数据流。当缓冲器中的数据量达到高电平时，模块将CTS线设置为低电平。在控制器程序检测到cts为低之后，它停止发送数据，直到协议栈缓冲器中的数据量低于低电平，并将CTS设置为高电平。
这种方法还可以保证写入的数据不丢失，图像文件传输的耗时小于前一种方法。但不能用在简化的三线串口协议中，也不能像以前的方法一样检测GPRS数据传输过程中的丢包，通过重传来保证传输过程的可靠性。
3.4 GPRS服务器端软件GPRS图像传输系统采用多个移动终端连接监控中心服务器的方式。服务器采用普通互联网上的主机模式，作为TCP服务器，有一个静态的公共IP，一个开放的监听端口，可以从外部访问。在其上，TCP端口监控程序运行，从移动台接收TCP包，并向移动台发送响应数据。GPRS服务器通过数据包方式接收图像文件的流程如图5所示。服务器端软件具有以下功能:(1)监控TCP端口；(2)接收数据包，发送和接收响应帧；(3)显示接收到的数据和尺寸，并保存图像文件。
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本系统的发送端设计了两种流量控制方法，一种是硬件实现，另一种是软件实现。前者在网络稳定的情况下速度更快。后者可以有效保证整个GPRS传输过程的稳定性和可靠性，可以直接用在简化的三线串口协议中。当控制器采用嵌入式微处理器时，可以方便地与微处理器的串口连接，无需串口转换芯片。
使用中国移动提供的通用GPRS服务进行测试，该系统传输速率可达10kbps。大量测试中没有数据丢失，整个系统工作稳定可靠。同时也可以用来传输任何形式的文件数据，适用于需要远程传输数据的系统。
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