【ZigBee】网关的构成 用 JN51X9 的案例来讲解框架及各部分...

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【ZigBee】网关的构成 用 JN51X9 的案例来讲解框架及各部分的功能

物联网时代刚兴起那会，总是有人对网关这个词不甚了解！不过经过这些年的市场教育，已经很少人问了。

不过网关具体是如何实现，如何工作的，今天我们通过 NXP JN51X9 的网关方案，来详细的进行说明，希望能对伙伴们在对网关的选型上有所帮助！

后面的续篇也会对网关的硬件设计、网关软件开发上的难点进行一一讲解，希望读者能从文章中收获到 ZigBee 网关开发的相关知识，并作为 ZigBee 网关的开发的一个参考。

NXP ZigBee 3.0 网关

NXP ZigBee 3.0 网关是基于 NXP ZigBee 3.0 的智能网关。我们可以将 NXP ZigBee 3.0 网关分成三部分：主控部分、ZigBee 部分、外设部分。ZigBee 网络是一个低功耗无线网络，网络内，设备通过 ZigBee 协议互相通信，但无法将信息仅通过本身传输给以太网，所以需要中介的帮助才能进行。NXP ZigBee 3.0 网关用于将云端服务器和不可直连以太网的 ZigBee 网络连接起来，从而达到智能手机、平板电脑和计算机等设备通过互联网进行监控，将低功耗无线网络（ZigBee 网络）纳入“物联网（IoT）”架构的目的。

如图1所示，是世平集团基于NXP ZigBee 3.0 芯片 JN5169 / JN5189 的网关方案框图。

一、主控部分

主控部分由 MCU 主控芯片及其最小系统组成。

MCU 芯片可以选择不带无线功能的 MCU芯片，这时若需要连接到以太网，就需要该芯片有以太网的外设接口，使用 PHY 芯片加上 RJ45 接口通过有线的方式连接以太网；或是可以在网关上增加一个 WiFi 模块，通过无线的方式连接以太网。

MCU 芯片也可以选择集成 WiFi 功能的 MCU 芯片，这样既可以减少网关板上芯片的占用面积，也可以有效的控制成本。

该部分主要负责建立起云端服务器和 ZigBee 设备的通信桥梁，并将部分信息保存在网关本地，例如：设备信息，场景信息等。

主控部分是网关的重要组成部分，主控部分将会负责将云端和 ZigBee 的数据进行处理，并将这些数据分别传给 ZigBee 和云端。这里有两种实现方式：一种是直接透传消息，一种是处理完之后再进行传输。

• 当直接透传消息时，主控部分仅传输消息，不对消息进行处理和存储，在收到云端和 ZigBee端的数据时，直接将消息传给 ZigBee
  端或是云端，这就需要云端完成数据的处理、信息的存储、数据的重组，这样做的好处是大大减少了网关部分使用的资源，忽略了网关处理数据的时间，使用云服务器直接对数据进行处理操作，使网关的开发变的更加简易；缺点是当网关设备量变大，数据量变大时，服务器的负载会变大，且网关仅进行透传无法分担服务器的计算压力。
• 当实现方式是处理完之后再进行传输时，这就需要主控部分有一定的存储能力和处理能力。在收到云端和
  ZigBee端的数据时，主控部分会将数据进行解析、提取、重组，对需要存储的设备信息进行存储，将需要传递的消息分别传给ZigBee端和云端。优点是在设备数量变大时，能够帮助云端分担计算量，减轻云端服务器的压力；缺点是增加了数据滞留在本地的时间，增加了传输过程中的不稳定性，当出现网络问题或是短暂断电时，数据无法第一时间到达云端，会导致智能手机、平板电脑和计算机等用户终端设备有一定的延时，降低了用户的体验感。
  

二、ZigBee 部分

ZigBee 部分由 NXP ZigBee 芯片及其最小系统组成。

NXP ZigBee 的主要芯片为 JN5169 以及即将发布的 JN5189[1]，该系列芯片拥有完整的 ZigBee 3.0 软件解决方案，包括 ZigBee PRO协议栈、ZigBee 照明与居住（ZLO）设备，以及ZigBee群组库（ZCL）。

JN5169 是适用于 ZigBee 应用的超低功耗，高性能无线微控制器。它具有 512 KB 嵌入式闪存，32 KB RAM 和 4 KB EEPROM 存储器，无需外部存储器即可实现 OTA 升级功能。32 位RISC处理器通过可变宽度指令，多级指令流水线和具有可编程时钟速度的低功耗操作提供了高编码效率。它还包括符合 2.4 GHz IEEE 802.15.4 的收发器以及模拟和数字外设的全面组合。极低的 RX 工作电流（低至 13 mA，并具有0.7μA 的睡眠定时器模式）具有出色的电池寿命，可直接通过纽扣电池工作。外设支持广泛的应用。它们包括 2 线兼容的 I²C 总线和 SPI 总线，它们既可以作为主机也可以作为从机运行；具有电池监控器和温度传感器的 6 通道 ADC。它可以支持多达 100个元件的大型开关矩阵，或者支持 40 键的电容式触摸板。

JN5169 Datasheet 见附录一，JN5169 框图如图 2。

JN5189 和 JN5189T 是基于超低功耗，高性能 ARM Cortex-M4 的无线微控制器，支持 ZigBee 3.0 网络堆栈，以促进家庭自动化，Light Link 和远程控制应用程序的开发。

JN5189 包括一个符合 2.4 GHz IEEE 802.15.4 的收发器以及模拟和数字外设的全面组合。在无线电接收和发送模式以及掉电模式下，超低电流消耗允许使用纽扣电池。

该产品具有 640 KB 嵌入式闪存，152 KB RAM 内存。嵌入式闪存可以支持应用程序的空中下载（OTA）代码下载。这些器件包括 10 通道 PWM，两个计时器，一个 RTC / 警报计时器，一个窗口看门狗计时器（WWDT），两个 USART，两个 SPI 接口，两个 I2C 接口，一个具有双通道 PDM 麦克风接口和语音活动检测器的 DMIC 子系统，一个 12 位 ADC，温度传感器和比较器。 JN5189T 型号具有一个内部 NFC 标签，并与外部 NFC 天线相连。

JN5188 变体具有与 JN5189 相同的功能，只是减少了 320 KB 嵌入式闪存和 88 KB RAM 的内存大小。JN5188T 变体具有 JN5188 的功能，并增加了嵌入式 NFC 标签。

ARM Cortex-M4 是 32 位内核，可提供系统增强功能，例如低功耗，增强的调试功能以及对块集成的高级支持。ARM Cortex-M4 CPU 的运行频率高达 48 MHz。

JN5189 框图如图 3。

ZigBee 最小系统将担任其 ZigBee 网络中协调器（Co-ordinator）的角色，主要负责构建 ZigBee 网络，并通过串口与 MCU 连接，建立起 MCU 到 ZigBee 子设备之间的通信桥梁。每当上层发送控制命令到 MCU 时，MCU 便按照已订好的 ZigBee 串口协议将该指令发送给协调器端，然后协调器将根据串口指令中的数据，重组空中数据包，并将该数据包通过 ZigBee 网络发送给该网络中的目的设备；同样，当 ZigBee 设备将采集的数据或是当前的状态信息，通过 ZigBee 网络传送给协调器时，协调器亦可以将该数据或状态值通过串口发送给 MCU，再由 MCU 传递给上层，从而达到监控 ZigBee 网络的目的，如图4所示。从严格意义上来讲，ZigBee 部分也应该包含在外设部分，但由于其在 ZigBee 网关上的特殊性，所以单独拿出来讲。

三、外设部分

外设部分是对网关功能进行扩展的部分，一般由按键、以太网口和指示灯组成。

• 按键一般用作网关的复位键和用户按键，复位键来保证网关能在升级失败或是出现运行错误的情况下恢复出厂设置，也可以用来删除云端设备信息等功能；用户按键可以根据网关功能用来执行一些自定义的动作，比如开启网关灯、开启网关的警戒模式等。
• 以太网口用来连接以太网，在没有集成 WiFi 的 MCU 上，可以使用外置的 WiFi 模块代替；在集成了 WiFi 的 MCU
  上，可以根据情况省去以太网口这一部分。相比 WiFi
  而言，以太网口的优点是即插即用，无需手动联网，且信号较无线连接方式更为稳定，缺点是连接方式是有线，网关摆放位置受限；
• 指示灯主要用来指示网关的上电状态、联网状态以及网关出现故障时无法上报给云端的错误信息，可以由 LED 灯或 RGB
  灯来组成，多盏灯的排列组合能够在断网时提供用户更多的信息，如设备无法正常运行的故障信息，使用户能够对比使用手册故障自查。另外，指示灯也可以做成小型的照明灯，如小米的第一代智能网关，
  

另外，在一些没有内置 Flash 或是 Flash 不够的 MCU 上，还需要增加外置的 Flash ；在一些需要支持扩展存储的网关上，也需要提供相应的储存设备。更多的外设可以根据需求添加，如：音频、语音识别、LCD 显示、各类传感器等。在一些对功能要求比较少的网关上，外设部分将会被缩减。

四、总结

ZigBee 网关是低功耗无线局域网 ZigBee 网络和互联网沟通的桥梁，是 ZigBee 设备在 IoT 中不可或缺的一部分。后续的章节中，将会对 ZigBee 网关的开发进行一个全面的介绍，包括硬件开发上的电路设计，软件开发上的一些难点和疑点进行解答，为读者提供一个完整的可供参考的 ZigBee 网关的开发范例。

参考资料

[1]: NXP JN5169 DataSheet v1.3
[2]: NXP JN5189 DataSheet v1.0

附录

• JN5169 Datasheet ，
  

• 官方下载地址：https://www.nxp.com.cn/docs/en/data-sheet/JN5169.pdf
  
  

• JN5168 / JN5169 / JN5188 / JN5189 参数对比
  
  

来源：https://www.wpgdadatong.com/cn/blog/detail?BID=B0999