物聯網芯片

物聯網被業內認為是繼計算機、互聯網之后世界產業技術第三次革命，其市場規模達到萬億級，前景可謂無限光明。根據 IDC 測算，到2021年將會有 250 億台設備聯網，而物聯網芯片作為萬物互聯的關鍵，目前架構多樣化，市場也尚未成型。萬物互聯的前提是智能終端設備與傳感器的連接，其應用場景和特性使得物聯網芯片偏向低功耗和高整合度，低功耗使得開發人員能夠為功耗受限設備增添功能，同時保持芯片尺寸，擴大應用可能性。添加高集成度的元件可實現芯片的即插即用，簡化應用開發，方便設備更新換代，便於產品快速推向市場。

 

ZLAN1003芯片就是這么一款即插即用的物聯網芯片這款芯片 它具有一個10M/100M的以太網接口（內部已經集成PHY功能），一個普通速率UART、一個高速UART和一些可配置的功能引腳。ZLAN1003系列的基本的功能是實現UART到TCP/IP的協議轉化，即將UART收到的數據轉到到雲端/計算機，雲端/計算機下發的數據轉發到UART。實現這些功能，無需用戶開發程序，ZLAN1003內部的程序是已經固化好的，用戶配置即可使用。可以將它視為一顆單芯片級別的串口轉網口芯片、物聯網芯片。

 

  它內部已經集成物聯網（IOT）所需的各類功能，包括：

1)         通過網口搜索和配置ZLAN1003的參數；

2)         通過網口下載自定義的Web，通過Web配置IP和波特率等參數；

3)         可配置ZLAN1003的工作模式自動連接7個雲端服務器；

4)         可以配置ZLAN1003具有注冊包和心跳包功能；

5)         可配置為http模式，可以和雲端的asp/php的GET/POST指令直接對接；

6)         可以配置為“轉碼”功能，可以自動串口發送指令，采集儀表數據后按照定制格式上傳；

7)         具有Modbus網關功能，實現Modbus TCP轉Modbus RTU；

8)         支持SNMP協議，可以將各類串口協議轉化為SNMP協議；

9)         ZLAN1043N支持P2P方式的內網穿越通訊，實現隨時隨地通過ID聯網。

1.1.      框圖

 

圖2 ZLAN1003方框圖

ZLAN1003系列額內部固件程序是已經固化好的，無需二次開發，但是可以通過網口進行程序升級。芯片的外部接口主要是UART、以太網和IO接口。ZLAN1003內部功能模塊包括：網絡配置的芯片參數的功能，串口通過類似AT指令配置的功能，通過已經內嵌的Web進行配置的功能，IO控制輸入輸出引腳功能等。

1.2.      特點

1.1.1.    硬件特點

-            單芯片集成度高：內部集成10M/100M的快速以太網的MAC和PHY接口，無需擴展RAM、FLASH、PHY，只需外接電阻電容。

-            支持自動協商（Auto Negotiation Full-duplex&half duplex）。支持自動交叉線檢測（MDI/MDIX）

-            3.3V工作電壓，5V I/O信號承受度。可3.3V/1.8V雙電源供電或者3.3V單電源供電。

-            高速模式UART1波特率支持1200～115200bps，低速模式UART1支持1200～38400bps。UART1的數據位支持5～9位，校驗位可以為無校驗、奇校驗、偶校驗、標記、空格這五種方式，支持硬件流控和軟件流控。UART2支持1200～921.6Kbps。

-            80腳LQFP無鉛（Lead free）封裝。

-            豐富的指示燈引腳：TCP連接建立指示燈、網線連接指示、數據通信指示。

-            支持連接RS485的發送控制腳RS485_EN。

-            -40°C到85°C工業級芯片。

1.1.2.    軟件特點

-            內部固化全功能的串口轉TCP/IP軟件，無需二次開發。

-            支持TCP服務端、TCP客戶端，UDP模式，UDP組播。作為TCP客戶端的時候同時支持TCP服務器端功能。作為TCP服務器支持30個TCP連接，作為TCP客戶端支持7個目的IP。

-            支持芯片連接上發送MAC地址功能，方便雲端管理設備。

-            提供計算機端搜索、配置芯片的二次開發包DLL開發庫。

-            支持Web瀏覽器配置、支持DHCP動態獲得IP、DNS協議連接域名服務器地址。

-            支持雲端遠程搜索芯片、配置芯片參數、芯片固件程序升級。

-            支持遠程通過軟件查看芯片的TCP連接狀態、串口數據發送、接收狀態。虛擬串口支持數據監視功能。

-            支持通過串口發送類AT指令進行芯片參數的讀寫和控制。

1.1.3.    ZLAN1043軟件特點

以下功能ZLAN1003不支持，僅ZLAN1043/1043N支持：

-            支持Modbus網關功能，支持Modbus RTU轉Modbus TCP。可以支持存儲型的Modbus，可以自動采集設備數據，並存儲起來；也支持非存儲模式的Modbus網關。

-            支持多主機功能：在一問一答的查詢方式下，支持網口端允許有多台計算機同時訪問同一個串口設備。

-            支持自定義心跳包和注冊包功能：可以方便和雲端進行通信和設備識別。

-            支持TCP建立連接需要密碼驗證的功能，保證連接安全性。

-            支持“轉碼”功能，可以實現對特定設備的協議的翻譯工作，讓不同的設備對接統一的軟件平台。

-            支持http方式的數據提交和下發功能，雲端可以直接使用http的GET指令和設備的串口數據進行交互。

-            支持通過任意的網絡指令來控制8個IO口的電平。

-            另外ZLAN1043N支持P2P方式網絡NAT穿越功能。

1.3.      優勢

ZLAN1003系列有如下的4個優勢：零軟件開發、集成豐富的IOT功能、某些應用無需外置MCU、無縫對接原來串口程序。

1.1.4.    零軟件開發

 

圖3 ZLAN1003 應用圖

ZLAN1003系列芯片內部程序無需用戶二次開發，對接用戶MCU的UART直接收發數據即可將數據傳輸到網絡上的計算機程序。用戶使用步驟大致如下：

(1)     卓嵐提供完整的ZLAN1003芯片的外圍電路圖，用戶按照此電路圖設計，將ZLAN1003焊接到電路板。

(2)     ZLAN1003的電路板上電后，電路板的RJ45網口接入網絡，網絡中的任何一台計算機通過ZLVircom或者用戶自己開發的程序，通過網絡搜索設備，使用ZLVircom查看ZLAN1003的IP和端口，如有需要可以配置IP和波特率。將計算機上的Socket（TCP/IP）軟件連接到設備IP和端口。

(3)     相關指示燈指示ZLAN1003和計算機是否建立TCP/IP。

(4)     等連接建立后，Socket（TCP/IP）軟件發送給ZLAN1003的數據將通過UART發給用戶的MCU，用戶MCU的數據也可以通過UART發數據給計算機Socket（TCP/IP）軟件。

(5)     如有需要，用戶MCU上電后也可以通過類AT指令讀取ZLAN1003的MAC，修改IP等操作。

 

以上的使用步驟中並沒有一點軟件開發工作，即使是硬件開發也提供有完整的電路圖。只需要使用ZLVircom一次性配置ZLAN1003的IP、波特率等參數保存好后就可以使用，真正做到了零軟件開發。

一般來說可以在1個星期完成一個基於以太網的物聯網產品的開發。此零軟件開發特點為用戶產品快速上市提供了快捷的方案，也避免了軟件開發時間長、軟件開發不穩定等問題。

1.1.5.    集成豐富的IOT功能

ZLAN1003內部已經集成了很多IOT的功能模塊，減少了用戶的開發相關物聯網功能的工作量。這里簡單介紹幾個典型功能：

(1)     注冊包和心跳包功能：物聯網設備和雲端對接的時候需要將自的ID發送到雲端軟件，方便雲端識別設備的編號。ZLAN1003/1043具有多種注冊包和心跳包方式。

(2)     ZLAN1043可配置為http模式，可以和雲端的asp/php的GET/POST指令直接對接；

(3)     ZLAN1043可以配置為“轉碼”功能，可以自動串口發送指令，采集儀表數據后按照定制格式上傳；方便了將不同的設備轉化為統一的雲端服務器格式，而不需要二次開發。

(4)     具有Modbus網關功能，實現Modbus TCP轉Modbus RTU；

(5)     ZLAN1043N支持P2P方式的內網穿越通訊，實現隨時隨地通過ID聯網：可以在沒有雲端的環境下實現PC監控任意一台內網的設備。

1.1.6.    某些應用無需外置MCU

由於ZLAN1003芯片無需MCU通過串口、SPI進行配置，內部固化的程序已經可以實現UART轉TCP/IP，且ZLAN1043具有強大的“轉碼”編程功能，所以用戶可以省略MCU，這樣可以降低電路板復雜度和節約成本。

我們列舉如下幾個情況：

(1)     對接無線串口模塊：ZLAN1003可以用作某些無線模塊數據采集轉化為TCP/IP的網關。這個網關一端是無線模塊，比如藍牙、Zigbee、Rola等UART接口的模塊，另外一端是以太網。此時只需要將ZLAN1003的UART和無線模塊的UART直接對接即可，不需要再增加一個MCU。

 

圖4對接無線模塊

(2)     儀表采集：ZLAN1043支持強大的“轉碼”功能，它具有自動采集，按照定制的格式定時上發的數據的可編程功能。此時只要將“轉碼”配置文件寫入ZLAN1043內部，則ZLAN1043就會發送特定的指令，並按照固定的格式上發給雲端，需要電路板上增加一個MCU進行數據采集和協議轉化。

 

圖5儀表采集

(3)     串口轉網口網關：ZLAN1003本身就是一個功能強大的串口服務器單芯片，如果需要實現串口轉網口網關功能時，需要再外加MCU，也無需軟件開發。另外ZLAN1003具有RS485EN引腳，可以支持對接各類485芯片。

1.1.7.    無縫對接原來串口程序

 

圖6用戶MCU串口程序無修改

         很多RS232/RS485設備原來內部的MCU具有UART接口，且MCU內部程序是已經開發好的，基於以下的原因可能用戶不希望重新開發MCU內部的程序：

(1)     該MCU串口程序已經經過多年的應用驗證，穩定可靠。如果重新開發為SPI等接口則會有穩定性方面的考慮。

(2)     由於研發進度短、研發資源不夠等原因，如果能夠直接使用原來的MCU的程序則會加快進度、減少研發投入。

(3)     原來的MCU程序代碼已經丟失或者沒有技術員在維護。

 

ZLAN1003對於此類RS485/232設備的網絡化升級提供了很好的方案，只要將原來和232/485芯片對接的部分和ZLAN1003對接即可。無需進行軟件開發，只需要設計電路即可完成產品升級。

另外ZLAN1003配備的ZLVircom具有虛擬串口功能，如果用戶不想修改上位機串口軟件，同樣可以滿足要求。