基于ZigBee的单兵终端无线局域网通信模块设计

闫冲冲，郝永生

（军械工程学院 导弹工程系，河北 石家庄 050003）

现代战争中，战场感知已经成为战场指挥系统的重要组成部分。所谓战场感知，是指参战在部队和支援保障部队对战场空间内敌、我、友各方的兵力部署、武器配备和战场环境（如地形、气象和水文）等信息的实时掌握过程。战场感知除了具有传统的侦查、监视、情报、目标指示与毁伤评估等内容以外，它的最大特点就在于信息共享和信息资源的管理与控制。利用无线传感网能够实时掌握战场和士兵的各种信息，继而了解战局的发展，从而控制战场局势，立于不败之地。

1 ZigBee简介

针对各单兵节点信息多元化、复杂化的特点，采用ZigBee来组建无线网络连接，而指挥机作为实现大型指挥终端与各单兵节点之间通信的枢纽，负责通过GPRS网络将获得的单兵节点相关信息反馈给车载指挥终端，再将指挥终端下达的作战指令分析处理后分配给各单兵节点，指挥其完成作战任务。这样，实现各个系统之间的战场态势信息共享，提高战场作战效率。其功能原理图如图1所示。

ZigBee是近年来发展迅速的基于无线传感网络的近距离、低功耗、低成本、低复杂度的无线通信技术[1]。协议定义了两种类型的设备——全功能设备 （FFD），精简功能设备（RFD）。全功能设备可作为网络的协调器、路由器，实现FFD功能需要足够的计算能力和存储能力。RFD设备功能简单，由单片机就能完成。FFD设备之间可以相互通信，RFD设备只能与FFD设备通信，其主要特点如下：

图1 功能原理图Fig.1 Chart of function and elements

1）功耗：通讯模块的工作耗电低；

2）成本：协议栈简单，并且通信模块的单位成本低；

3）网络容量：网络中允许65 000多个ZigBee设备存在；

4）实时性：可以满足实时性要求为10 ms量级的系统；

5）工作频段：可在 2.4 GHz、868 MHz（欧洲）及 915 MHz（美国）等免执照频段工作；

6）安全性：标准提供了数据完整性检查和加密功能，并可以灵活准确定义安全属性。

近年来，无线通信技术飞速发展，事实上，短距离通信具有多种技术方式。表1所列是几种短距离无线通信技术的比较。在表1所列的几种技术中，基于IEEE802.15.4协议的ZigBee技术起源于本世纪初的一种具有代表性的短距离无线通信技术标准，其PHY层与MA C层协议由IEEE802.15.4工作小组制定 ，网络层由ZigBee技术联盟制定，应用层的开发应用则可根据用户自己的应用需要来进行开发，因此，该技术能够为用户提供更加灵活机动的组网方式。

表1 各种短距离无线通信技术的比较Tab.1 Compare among several techniques of short-haul wireless communications

2 系统功能及总体结构

本系统硬件框图如图2所示，主要有ARM9控制器，触摸屏显示模块，ZigBee无线收发模块，GPRS模块等组成。

图2 系统硬件框图Fig.2 Frame of system hardware

2.1 ARM智能控制模块

本系统采用三星公司S3C2440A芯片作为处理器，利用三星公司的K9F1208芯片作为程序及数据的存储芯片。用两片日本现代公司的HY57V561620作SDRAM。S3C2440芯片具有以下特点：

1）含有 MMU，支持 Linux，WinCE，EPOC32 等操作系统；

2）含有1 G字节的地址空间；

3）主频可达 400 MHz；

4）3 个通用异步收发器（UART）；

5）LCD控制单元和触摸屏接口。

综合以上诸多因素，该处理器完全可以满足系统终端的要求，含有LCD控制器和触摸屏接口，方便了人机界面的设计。含有MMU单元，可以移植μC/OS－II操作系统，保证了控制器的高效性和稳定性。

K9F1208flash有64 M字节的存储容量，支持快速读写，读取每个字节数据时间只需 12 μs， 写入时间是 200 μs。HY57V561620是32 M的SDRAM，利用两片芯片使本系统具有64 M的SDRAM，作为内存单元供系统运行时使用。

2.2 ZigBee无线传输模块

无线收发芯片采用Chipcon公司生产的CC2430。CC2430芯片除了整合ZigBee射频前端、内存和微控制器外，还具有128 kB可编程内存和8 kB的RAM、模拟数字转换器（ADC）、定时器（Timer）、AES－128 协同处理器、看门狗定时器以及21个可编程I/O引脚等[3]。因此选择CC2430作为无线收发部分，使用起来非常容易上手。由于CC2430的高度集成度，外围需要很少的器件可以组成最小系统。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统、家居系统和无线传感器网络等各个领域[4]。

2.3 GPRS通信模块

GPRS即通用分组无线服务技术，是一种以GSM为基础数据传输技术。用户永远在线且按流量、时间计费，通信成本低等优点，使GPRS技术成为远程无线数据传输的最佳选择。这里GPRS模块主要功能是通过GPRS网络实现ARM控制器与车载指挥终端之间的数据交换。系统选用西门子公司的MC39iGPRS终端，它设计小巧、功耗很低，具有RS232接口，可以通过串口与S3C2440A相连，此外，它的配件有天线，电源，支持短信收发、语音、传真、GPRS上网、数据传输等功能[5]。

3 系统软件设计

系统主程序流程图如图3所示，系统应用程序主要由一系列相应功能的子程序组成，主要包括信息采集程序、ZigBee无线通信程序、GPRS无线通信程序等。

3.1 移植μC/OS-II操作系统

μC/OS－II的移植过程需要解决的主要问题有：数据类型的重定义，堆栈结构的设计，任务切换时的状态保存与恢复等。S3C2440A处理器完全满足μC/OS－II的移植要求，需要完成的工作非常简单，修改3个和处理器相关的文件即可。这3个文件是：OS_CPU.H、OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM[6-7]。 具体过程如下：

图3 主程序流程图Fig.3 Flow chart of main program

1）设置OS_CPU.H中与处理器和编译器相关的代码。

2）在OS_CPU_C.C中编写6个与操作系统相关的函数。

3）在OS_CPU_A.ASM文件中编写4个与处理器相关的函数。

完成以上工作之后，嵌入式实时操作系统μC/OS-II就可以工作了。

3.2 ZigBee协调器和GPRS模块软件设计

系统的主程序流程图[9]如图4所示。

图4 ZigBee协调器及GPRS模块主程序流程图Fig.4 Flow chart of the Zigbee coordinator and the GPRS module’s main program

在本系统中，指挥机实际上是充当一个ZigBee协调器和GPRS通信终端的角色，不仅要完成ZigBee无线网络的功能，还要充当与车载指挥终端的联络。ZigBee模块主要用于建立无线网络，分配地址，向终端节点发送控制命令和终端节点的工作状态，并将接收到的状态数据全部上传至指挥机，最后通过GPRS网络传送到车载指挥终端。

本设计中采用AT命令开发ZigBee，AT命令是通过把ZigBee协议和AT命令固化到网关CC2430模块中，然后通过其他ARM终端的串口与CC2430的串口相连，再通过AT命令集控制整个无线传感网络的。而微处理器S3C2440A也是通过执行AT命令，由串口向GPRS模块发送控制命令，以完成网络接入。AT命令的格式[8]如表2所示。

表2 AT命令格式Tab.2 Format of AT order

4 结束语

笔者提出了基于ZigBee的单兵终端无线局域网通信模块的设计和实现方案，该方案采用低功耗ARM处理器S3C2440A为核心，使用CC2430模块在各个单兵节点之间组建局域网络，同时利用GPRS实现指挥机节点与大型指挥终端的远程通信，从而实现了战场态势共享的网络共享，与原有依靠无线电台来进行通信的手段相比，大大提高了作战单位与指挥终端之间的信息共享能力，从而间接提高了作战效率。

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