LPC1227的远距离ZigBee无线网关设计

　　引言

　　物联网被称为继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第三次浪潮。它代表了下一代信息发展技术，被世界各国当作应对国际金融危机、振兴经济的重点技术领域。

　　物联网分为感知层、网络层、应用层，而无线网关节点则是实现感知层与网络层数据交互的桥梁，在物联网中具有特殊的地位。网关负责网络间的协议解析，不同网络类型的网络路由，网络数据的汇聚、存储、处理、转发等功能，成为物联网感知层与网络层不可缺少的纽带。因此设计出成本低、效率高、运行稳定的网关对物联网的推广有着重要的现实意义。

　　1 系统方案

　　本文设计的网关主要由高速微控制器LPC1227、ZigBee射频收发模块、GSM通信模块EM310、AC—DC电源模块等组成。网关的系统结构如图1所示。

　　为了满足网关低成本、高实时性的要求，网关的MCU采用基于Cortex-M0内核的LPC1227微控制器，该微控制器由NXP半导体公司设计，于2011年2月投入市场。微控制器可在高达45 MHz的CPU频率下运行，包含128 KB片内Flash存储器和8 KB数据存储器。512字节Flash擦除扇区带来了多种设计上的好处，同时该芯片有两个具备内部FIFO的UART。网关系统软件不采用任何嵌入式操作系统，利用最小的软件负载实现高实时性。

　　网关的ZigBee芯片采用TI公司的CC2530芯片，相对于当前使用较多的CC2430芯片，CC2530芯片的性价比更高。两种芯片的主要参数对比如表1所列。

　　网关中扩展了配合CC2530芯片的射频前端芯片CC2591。CC2591是TI公司推出的工作频率为2.4GHz，面向低功耗与低电压无线应用，集成度很高的射频前端芯片。CC2591集成了可将输出功率提高+22 dBm的功率放大器以及可将接收机灵敏度提高+6 dBm的低噪声放大器，从而扩大了ZigBee无线网络的覆盖范围。

　　网关采用华为公司设计的EM310 GSM模块，该模块具备内置的TCP/IP协议栈，方便实现ZigBee无线传感网和以太网的数据交互。

　　2 硬件设计

　　2.1 网关电源电路

　　LPC1227、CC2530和CC2591芯片需要3.3 V电压供电。考虑到GSM模块EM310的输入电压范围为3.4～4.7 V，本次设计采用4.1 V电压对EM310模块供电。因此网关电源电路设计为3.3 V和4.1 V输出的应用系统，如图2所示。

　　首先由JP1电源接口输入220 V的交流电，经过AC—DC电源模块输出9 V直流电源。网关系统中GSM模块功耗最大，虽然EM310最大瞬时电流可达到1.6 A，但是EM310处于GPRS工作模式时只需要400 mA电流。综合考虑AC—DC模块的体积、成本以及系统工作的稳定性，最终选择了功率为10 W的AC—DC电源模块，可保证系统的稳定工作。为了稳定地向EM310提供4.1 V的电压，LDO芯片(低压差电源芯片)选择Sipex公司的SP X29302芯片，该芯片可稳定输出高达3A的电流，结合43kΩ和100kΩ的电阻，可将输出电压调节到4.1V。