基于FPGA的嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

 隨著當今社會網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機技術(shù)的高速發(fā)展，嵌入式技術(shù)逐漸受社會多個領(lǐng)域所關(guān)注，在交通管理、POS網(wǎng)絡(luò)商務、工業(yè)控制、以及家庭智能管理等多個領(lǐng)悟中應用，具有寬闊的應用空間。通過對基于FPGA的嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)進行研究分析，以此為相關(guān)工作提供一定的借鑒作用，更好的服務人們生活。 
　　FPGA也就是現(xiàn)場可編程門陣列，是在CPLD、GAL、以及PA0L等可編程器件的基礎(chǔ)上，逐步完善的一種計算機技術(shù)。FPGA不僅能夠有效克服定制電路的不完善地方，同時能有解決原有可編程器件門電路數(shù)的一些不足。隨著FPGA技術(shù)的不斷完善，使ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集得以實現(xiàn)，以此更好的應用于嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)。 
　　一、系統(tǒng)設(shè)計 
　　ZigBee技術(shù)具有低復雜度、低功耗、近距離、低成本、低速率等特點的雙向無線通訊技術(shù)。 ZigBee不僅能夠在距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸，同時能夠進行周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸。本次設(shè)計主要是利用ZigBee的上述優(yōu)點，同時根據(jù)ZigBee網(wǎng)關(guān)在通信技術(shù)方面的優(yōu)點，以及FPGA的可自由編程支配、自由定義其功能、具有I/O端口多等特性，之后在Nios II和VHDL/Verilog HDL編寫的執(zhí)行軟件的作用下以此實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，進而使此系統(tǒng)更加具有可配置性和靈活性的優(yōu)勢。 
　　本次嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的主要構(gòu)架形式是以FPGA+Nios II作為基礎(chǔ)，同時配合FPGA的靈活編程性質(zhì)，以此滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。整個嵌入式網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分、FPGA部分、以及上位機監(jiān)控部分所構(gòu)成[1]。 
　　1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分設(shè)計 
　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點類型，主要分為終端設(shè)備、路由器、以及協(xié)調(diào)器。而上述三種設(shè)備又分為精簡功能設(shè)備和全功能設(shè)備，終端設(shè)備屬于前者，路由器和協(xié)調(diào)器屬于后者。在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備屬于網(wǎng)絡(luò)的邊緣設(shè)備，不具有路由器和協(xié)調(diào)器的功能，其主要作用在于同監(jiān)控對象的連接，能夠?qū)⒈旧淼墓?jié)點位置、以及傳感器信息傳送到協(xié)調(diào)器，其信息路由由網(wǎng)絡(luò)中的路由器和協(xié)調(diào)器決定。路由器，能夠使路由消息、以及網(wǎng)絡(luò)信息得到進一步擴展，是一種潛在的協(xié)調(diào)器；通過對網(wǎng)絡(luò)的擴展，能夠使更多設(shè)備進入到網(wǎng)絡(luò)中[2]。協(xié)調(diào)器，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許出現(xiàn)一個協(xié)調(diào)器，對網(wǎng)絡(luò)的維護、啟動網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點綁定關(guān)系表、以及網(wǎng)絡(luò)成員地位配置能內(nèi)容進行負責，對計算能力和存儲空間要求較高。協(xié)調(diào)器能夠?qū)K端設(shè)備的數(shù)據(jù)信息進行接收，最終在串行通信的作用下幫助FPGA接收到節(jié)點信息。 
　　1.2SOPC的設(shè)計 
　　本次嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計，主要采用SOPC開發(fā)環(huán)境SOPC Builder以此滿足FPGA的硬件設(shè)計需要，SOPC工具能夠直接使用。SOPC系統(tǒng)由SOPC Builder環(huán)境所生成，在設(shè)計中需要加如定時器、片上存儲單元、Nios II處理器、SGDMA控制器、EPCS控制器、PLL、以太網(wǎng)控制器核、以及UART內(nèi)核等部分；在Nios II系統(tǒng)生成之后，完成硬件接口的連接工作，以及頂層模塊的設(shè)計，以及引腳分配，同時在FPGA中編輯下載，進而使FPGA硬件設(shè)計順利完成。 
　　二、系統(tǒng)軟件設(shè)計 
　　此次嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要有頂層應用代碼的調(diào)試和編寫、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的實現(xiàn)、PC軟件客戶端的設(shè)計、以及嵌入式操作系統(tǒng)的移植等內(nèi)容。此次系統(tǒng)需要在硬件平臺中，進行操作系統(tǒng)的有效嵌入，主要是基于控制和調(diào)度多個任務等方面考慮[3]。此次系統(tǒng)在軟件開發(fā)平臺使用方面，主要是采取的集成開發(fā)環(huán)境，成功移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)。此嵌入式操作系統(tǒng)，其操作內(nèi)核具有通用性，同時可進行裁剪、移植和固化等操作。此外，μC/OS-II操作系統(tǒng)在內(nèi)存管理、任務管理、調(diào)度、通信、同步、以及時間管理等功能方面，同樣具有較高的性能。對系統(tǒng)進行測試階段，可以利用Socket接口與FPGA進行通信。首先對服務器的端口、IP地址進行設(shè)置，然后開啟數(shù)據(jù)采集。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，傳感器數(shù)據(jù)信息同節(jié)點位置信息，都能夠通過模擬顯示出來，以此實現(xiàn)對節(jié)點的有效控制。 
　　三、總結(jié) 
　　現(xiàn)階段，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)在人們生活和工作領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用，備受社會各界所關(guān)注，隨著信息化技術(shù)和智能化技術(shù)的不斷完善和創(chuàng)新，其必將會有更加廣泛的應用前景。嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)在設(shè)計與實現(xiàn)階段，利用FPGA技術(shù)，能夠進一步實現(xiàn)工業(yè)控制領(lǐng)域中、以及物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備的遠程監(jiān)控功能。