摘要： 本文詳細探討了單片機在工業無線網絡中的具體應用。
關鍵詞： 單片機(MCU)；工業無線網絡；ZigBee；SoC

如同今天的許多通用單片機(MCU)已經把USB、CAN和以太網作為標準外設集成在芯片內部一樣，越來越多的無線網絡芯片和無線網絡解決方案也在向集成SoC 方向發展，比如第一代產品，Nordic公司nRF905，Chipcon公司cc1010 他們集成了8051兼容的單片機.這些無線單片機適合一般的點對點和點對多點的私有網絡應用，如單一產品的遙控器和抄表裝置等。無線通訊技術給智能裝置的互連互通提供了便捷的途徑，工業無線網絡作為面向工業和家庭自動化的網絡技術也正在向著智能，標準和節能方向發展。

典型的工業無線網絡

目前在工業控制和消費電子領域使用的無線網絡技術有ZigBee、無線局域網(Wi-Fi)、藍牙(Blutooth)、GPRS通用分組無線業務、 ISM、IrDA等， 未來還能有3G、超寬頻(UWB)、無線USB、Wimax等。 當然還有大量的私有和專用無線網絡在工業控制和消費電子裝置中使用，其中ZigBee、GPRS是在目前在國內工業控制中討論和使用比較多的兩種，藍牙和無線局域網是在消費電子產品如手機、耳機、打印機、照相機和家庭中小企業網絡中廣泛使用的無線協議(個別工業產品也有應用，如無線視頻監控和汽車音響系統)，當然私有無線網絡技術和產品在工業也有很多的應用。

ZigBee是一個低功耗、短距離和低速的無線網絡技術，工作在2.4GHz國際免執照的頻率，在IEEE標準上它和無線局域網、藍牙同屬802家族中的無線個人區域網絡， ZigBee是有兩部分組成，物理和鏈路層符合IEEE802.15.4， 網絡和應用層符合ZigBee聯盟的規范。ZigBee聯盟(www.zigbee.org)是在2002年成立的非盈利組織，有包括TI、霍尼威爾、華為在內兩百多家成員， ZigBee聯盟致力推廣兼容802.15.4和ZigBee協議的平臺， 制定網絡層和應用架構的公共規范，希望在樓宇自動化、居家控制、家用電器、工業自動控制和電腦外設等多方面普及ZigBee標準。

GPRS是在現有的GSM 網絡發展出來的分組數據承載業務，它工作在標準的GSM頻率，由于是一個分組交換系統，它適合工業上的突發，少量的數據傳輸，還因為GSM網絡覆蓋廣泛，永遠在線的特點，GPRS特點適合工業控制中的遠程監控和測量系統。在工業控制應用中GPRS 芯片一般是以無線數傳模塊形式出現的，它通過RS232全雙工接口和單片機連接，軟件上這些模塊都內置了GPRS，PPP和TCP/IP協議，單片機側通過AT指令集向模塊發出測試，連接和數據收發指令，GPRS模塊通過中國移動cmnet進入互聯網和其他終端或者服務器通訊。目前市場常見的模塊有西門子G24TC45、TC35i，飛思卡爾G24，索愛GR47/48， 還有Wavecom 的集成了ARM9核的GPRS SoC模塊WMP50/100。GPRS模塊有區分自帶TCP/IP協議和不帶協議兩種，一般來講，如果是單片機側有嵌入式操作系統和TCP/IP協議支持的話或者應用的要求只是收發短信和語音功能的話，可以選擇不帶協議的模塊。

無線單片機

先進的SoC技術正在無線應用領域發揮重要的作用。德州儀器收購了Chipcon公司以后發布的CC2430 是市場上首款SoC的ZigBee單片機， 見圖1，它把協議棧z-stack集成在芯片內部的閃存里面， 具有穩定可靠的CC2420收發器，增強性的8051內核，8KRAM，外設有I/O 口，ADC，SPI，UART 和AES128 安全協處理器，三個版本分別是32/64/128K的閃存，以128K為例，扣除基本z-stack協議還有3/4的空間留給應用代碼，即使完整的ZigBee協議，還有近1/2的空間留給應用代碼，這樣的無線單片機除了處理通訊協議外，還可以完成一些監控和顯示任務。這樣無線單片機都支持通過SPI或者UART與通用單片機或者嵌入式CPU結合。 2008年4月發表CC2480新一代單片ZibBee認證處理器就展示出和TI MSP430 通用的低功耗單片機結合的例子。

圖1 CC2430應用電路
工業控制領域的另一個芯片巨頭——飛思卡爾的單片ZigBee處理器MC1321X的方案也非常類似，集成了HC08單片機核心， 16/32/64K 閃存，外設有GPIO， I2C和ADC， 軟件是Beestack 協議，只是最多4K RAM 對于更多的任務顯得小了些。但是憑借32位單片機Coldfire和系統軟件方面經驗和優勢， 飛思卡爾在滿足用戶應用的彈性需求方面作的更有特色，它率先能夠提供從低-中-高各個層面的解決方案，見圖2。

圖2 飛思卡爾ZigBee解決方案
以Wavecom 為代表的GPRS SoC無線單片機同時在演繹著GPRS無線處理器的革命， 如WMP50是一個帶有四頻GSM網絡無線通訊工業處理器，內置了ARM9 CPU ，支持128K 閃存，128K RAM ， 外設有11個GPIO，I2C，SPI，5X5鍵盤，2個UART，USB 2.0 并口，ADC，DAC 等。WMP50內部有一個可強制的實時多任務操作系統，它支持應用任務工作在比GPRS任務高優先級的方式，即能保證控制響應要求。 總之無論是GPRS無線單片機，還是ZigBee單片機都在朝著更低成本，更標準化和更高性能的方向發展。2007年4月，后起之秀jennic 推出了5美元zigbee/IEEE802.15.4參考設計，這個價格是包括了JN513932位無線單片機PCB天線設計和其他輔助器件的BOM成本，據稱RF性能能夠達到1公里的距離。

無線單片系統

無線單片機配合C語言開發調試工具可以勝任一個傳輸或者接收模塊的系統設計，比如使用CC2430，IAR公司 embedded workbench (EW)編譯調試工具和TI公司z-stack的simpleAPI 設計的一個無線傳感節點，用戶可以使用針對無線傳感網絡的TinyOS，或者uc/OS-II，或者不使用嵌入式操作系統，再比如無線遠程抄表終端，你可以使用MSP430或者CYGNAL C8051或者HC08單片機和一顆無線數傳模塊，如G24，開發工具可以使用KEIL IDE 或者IAR EW430/8051，或者是codewarror， G24內置了TCP/IP和GPRS協議，通過使用AT指令的測試，接入互聯網，連接服務器，收發數據的操作完成GPRS無線通訊的任務。單片機通過傳感器完成電表數據采集任務。但是如果你計劃設計一個智能家居的通訊節點的時候，這樣的無線單片機就不能夠滿足需求了，因為這樣的節點除了它們是通過ZigBee網絡采集室內環境 (如溫度，濕度)，電、水和氣三表的數據，家用電器開關和家庭安全報警外， 另外一個很重要的功能是這個節點還應該通過有線以太網絡，或者無線Wi-Fi網絡連接家庭服務器，這個服務器是家庭PC、電視、錄像，音響的核心，智能家居的通訊節點、家庭服務器和互聯網(小區寬帶)路由器組成一個家庭網絡系統。