基于FPGA的嵌入式ZigBee网关的设计与实现

 随着当今社会网络技术和计算机技术的高速发展，嵌入式技术逐渐受社会多个领域所关注，在交通管理、POS网络商务、工业控制、以及家庭智能管理等多个领悟中应用，具有宽阔的应用空间。通过对基于FPGA的嵌入式ZigBee网关的设计与实现进行研究分析，以此为相关工作提供一定的借鉴作用，更好的服务人们生活。 
　　FPGA也就是现场可编程门阵列，是在CPLD、GAL、以及PA0L等可编程器件的基础上，逐步完善的一种计算机技术。FPGA不仅能够有效克服定制电路的不完善地方，同时能有解决原有可编程器件门电路数的一些不足。随着FPGA技术的不断完善，使ZigBee网络数据收集得以实现，以此更好的应用于嵌入式网关的设计与实现。 
　　一、系统设计 
　　ZigBee技术具有低复杂度、低功耗、近距离、低成本、低速率等特点的双向无线通讯技术。 ZigBee不仅能够在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输，同时能够进行周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输。本次设计主要是利用ZigBee的上述优点，同时根据ZigBee网关在通信技术方面的优点，以及FPGA的可自由编程支配、自由定义其功能、具有I/O端口多等特性，之后在Nios II和VHDL/Verilog HDL编写的执行软件的作用下以此实现嵌入式网关的设计，进而使此系统更加具有可配置性和灵活性的优势。 
　　本次嵌入式网关系统的主要构架形式是以FPGA+Nios II作为基础，同时配合FPGA的灵活编程性质，以此满足系统设计要求。整个嵌入式网关的系统主要由ZigBee网络部分、FPGA部分、以及上位机监控部分所构成[1]。 
　　1.1 ZigBee网络部分设计 
　　ZigBee网络中的节点类型，主要分为终端设备、路由器、以及协调器。而上述三种设备又分为精简功能设备和全功能设备，终端设备属于前者，路由器和协调器属于后者。在一个ZigBee网络中，终端设备属于网络的边缘设备，不具有路由器和协调器的功能，其主要作用在于同监控对象的连接，能够将本身的节点位置、以及传感器信息传送到协调器，其信息路由由网络中的路由器和协调器决定。路由器，能够使路由消息、以及网络信息得到进一步扩展，是一种潜在的协调器；通过对网络的扩展，能够使更多设备进入到网络中[2]。协调器，每个ZigBee网络只允许出现一个协调器，对网络的维护、启动网络、节点绑定关系表、以及网络成员地位配置能内容进行负责，对计算能力和存储空间要求较高。协调器能够对终端设备的数据信息进行接收，最终在串行通信的作用下帮助FPGA接收到节点信息。 
　　1.2SOPC的设计 
　　本次嵌入式网关系统的设计，主要采用SOPC开发环境SOPC Builder以此满足FPGA的硬件设计需要，SOPC工具能够直接使用。SOPC系统由SOPC Builder环境所生成，在设计中需要加如定时器、片上存储单元、Nios II处理器、SGDMA控制器、EPCS控制器、PLL、以太网控制器核、以及UART内核等部分；在Nios II系统生成之后，完成硬件接口的连接工作，以及顶层模块的设计，以及引脚分配，同时在FPGA中编辑下载，进而使FPGA硬件设计顺利完成。 
　　二、系统软件设计 
　　此次嵌入式网关系统的软件设计，主要有顶层应用代码的调试和编写、网络协议栈的实现、PC软件客户端的设计、以及嵌入式操作系统的移植等内容。此次系统需要在硬件平台中，进行操作系统的有效嵌入，主要是基于控制和调度多个任务等方面考虑[3]。此次系统在软件开发平台使用方面，主要是采取的集成开发环境，成功移植了μC/OS-II操作系统。此嵌入式操作系统，其操作内核具有通用性，同时可进行裁剪、移植和固化等操作。此外，μC/OS-II操作系统在内存管理、任务管理、调度、通信、同步、以及时间管理等功能方面，同样具有较高的性能。对系统进行测试阶段，可以利用Socket接口与FPGA进行通信。首先对服务器的端口、IP地址进行设置，然后开启数据采集。在ZigBee网络中，传感器数据信息同节点位置信息，都能够通过模拟显示出来，以此实现对节点的有效控制。 
　　三、总结 
　　现阶段，嵌入式系统技术在人们生活和工作领域中发挥越来越重要的作用，备受社会各界所关注，随着信息化技术和智能化技术的不断完善和创新，其必将会有更加广泛的应用前景。嵌入式ZigBee网关在设计与实现阶段，利用FPGA技术，能够进一步实现工业控制领域中、以及物联网传感器设备的远程监控功能。