摘 要: ZigBee 技術具有低復雜度, 低功耗、低成本等優(yōu)勢, 在監(jiān)測和控制領域具有廣闊的應用前景。分析了ZigBee 網(wǎng)絡的優(yōu)點, 提出利用以ZigBee 協(xié)議為基礎的射頻芯片模塊實現(xiàn)無線串口的設計, 進一步拓展串口的應用范圍。經(jīng)過實踐驗證, 該設計方法可靠, 操作簡單方便, 功耗小, 成本低, 同時可以實現(xiàn)多機通信, 適合于低速率的數(shù)據(jù)傳輸, 具有廣闊的應用前景。

　　0 引 言

　　隨著計算機應用的普及, 計算機與計算機、計算機與數(shù)據(jù)終端間的通信應用日益廣泛, 由于電氣標準相對成熟和完善, 串口通信在其中的應用十分廣泛。但在通信設備距離相對較遠或者有線電纜鋪設不便的情形下,無線串口通信的實現(xiàn)將有利于拓展串口的應用范圍, 同時有效節(jié)約資源。當前無線串口通信的實現(xiàn)主要依靠藍牙、紅外、WIFI 等技術, 但藍牙和紅外的推廣都受到距離、功耗的限制, 紅外適用于單對單的直接通信, 距離限制在1 ~ 2 m; 藍牙的距離也僅在10 m 左右, 并且WIFI 和藍牙系統(tǒng)的建設和使用成本都遠遠高于Zig2Bee 系統(tǒng), 且ZigBee 具有低功耗、高通信距離等優(yōu)點,在無線串口的實現(xiàn)中具有明顯的優(yōu)勢。本系統(tǒng)利用以ZigBee 協(xié)議為基礎的射頻芯片CC2430 模塊實現(xiàn)無線串口技術, 利用CC2430 自帶的UART 模式, 向下兼容RS 232協(xié)議, 有很強的應用性和推廣性。利用ZigBee網(wǎng)絡架構無線串口在設備數(shù)目較多, 拓撲相對復雜, 互相通信需要穿越墻體等障礙物時, 具有通信距離遠, 功耗低, 安全可靠的優(yōu)點 。

　　1 ZigBee 技術

　　ZigBee 是一種基于IEEE802. 15. 4 標準的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術。該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯(lián)網(wǎng)應用, 主要用于無線傳感器網(wǎng)絡的測量和控制方面。

　　CC2430 芯片是Chipcon 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式ZigBee 應用的片上系統(tǒng)。它支持2. 4G IEEE802. 15. 4/ ZigBee 協(xié)議。根據(jù)芯片內置閃存的不同容量, 提供給用戶3 個版本, 即CC24302F32/ 64/ 128, 片上FLASH 分別是32 KB、64 KB 和128 KB。CC2430 在片上集成了8 位8051 單片機、模/ 數(shù)轉換器、定時器、看門狗、ASE 協(xié)處理器、FLASH 控制器、DMA 控制器、復位電路、串行通信接口以及21 個可編程引腳等。

　　CC2430 有2 個片上串行通信接口(USART ) , 分別是USART 0 和USART 1。它們既具有相同的功能,又具有各自的引腳, 可以工作在異步UART 模式或者同步SPI 模式下。

　　當作為異步串行接口, 使用UART 模式時, 有2 種線路構成可供選擇。一種是只包含RXT, TXD 的雙線構成; 另一種是比雙線構成多包含了RT S 和CTS 的4 線構成。

　　UART模式具有以下特點:

　　具有8 或者9 位數(shù)據(jù)位; 奇校驗, 偶校驗或者無奇偶校驗; 可配置起始位和停止位電平; 可配置低有效位優(yōu)先傳送或者高有效位優(yōu)先傳送; 獨立的接受和發(fā)送中斷; 獨立的接受和發(fā)送DMA 觸發(fā); 奇偶校驗和幀校驗錯誤狀態(tài); 提供全雙工異步傳輸, 接收器中的位同步不影響發(fā)送功能。

　　2 系統(tǒng)構成

　　ZigBee 標準是基于802. 15. 4 協(xié)議棧而建立的,ZigBee 網(wǎng)絡支持星狀( star ) 、樹狀( cluster tr ee) 和網(wǎng)狀(mesh) 3 種拓撲結構, 具有可靠性高, 組網(wǎng)簡單靈活, 網(wǎng)絡容量大, 自組織和自愈能力強, 通信可靠的優(yōu)勢。如圖1 所示, 在設備分布數(shù)目多, 分布范圍廣, 拓撲結構復雜時, 架設在ZigBee 網(wǎng)絡上的無線串口可以克服普通串口通信距離近, 布線麻煩等不足, 而擴大串口的應用范圍。

圖1 無線串口的應用

　　在發(fā)送數(shù)據(jù)時, 數(shù)據(jù)通過串口USART 進入CC2430 的DATA 內存區(qū)。為了提高傳輸速度, 使用DMA 傳輸方式將內存區(qū)中的數(shù)據(jù)送達射頻模塊的TXFIFO 中, 數(shù)據(jù)進入射頻模塊后, 經(jīng)過一系列的硬件處理, 最后通過天線發(fā)射無線信號。接收數(shù)據(jù)是發(fā)送數(shù)據(jù)的逆過程。射頻模塊從天線接收到無線信號, 通過一系列的硬件處理, 將信號轉換為數(shù)據(jù), 存放在RXFIFO中, 再通過DMA 方式送入DATA 內存區(qū)中, 最后通過USART 串口將接收到的數(shù)據(jù)送出。數(shù)據(jù)在無線模塊的傳輸路徑如圖2 所示。

　　不難看出, 整個數(shù)據(jù)傳輸過程大部分在CC2430 的內部完成。這得益于CC2430 具有極高的集成度, 是一款片上系統(tǒng), 能夠提供較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 數(shù)據(jù)在無線模塊中的傳輸路徑

　　ZigBee 模塊接收到的數(shù)據(jù)幀作為網(wǎng)絡層的負荷, 通過ZigBee 網(wǎng)絡發(fā)送給目標節(jié)點。網(wǎng)絡層幀格式如下所示:

　　該幀的第1 個字符表示幀類型( frame. type) : 0x00為命令幀; 0x01 為數(shù)據(jù)幀; 0x02 為確認幀; 0x03 為錯誤幀; 0x04~ 0xFF 保留。第2 個字符表示包序列號( se2quernce number ) 。第3 個字符表示數(shù)據(jù)傳送的目標節(jié)點( destination address) 。第4 個字符表示數(shù)據(jù)的源節(jié)點( source address) 。第5 個字符表示數(shù)據(jù)的長度( datalength) 。后續(xù)是數(shù)據(jù)負荷( data payload) , 長度為datalength。最后一個字符是校驗和( check sum) , 其值根據(jù)下式算得。

　　整個數(shù)據(jù)幀的長度是data length+ 6, 作為MAC層負荷, 它必須小于104 B。無線模塊網(wǎng)絡層接收到數(shù)據(jù)幀后, 檢查該數(shù)據(jù)幀的目標地址與該節(jié)點地址是否相同。若不相同, 則說明該數(shù)據(jù)是給異地節(jié)點的, 無線模塊將通過ZigBee 網(wǎng)絡轉發(fā)給目標節(jié)點; 若相同, 則根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)重新計算校驗和; 如果得到的校驗和與傳送過來的相同, 則回復確認幀, 同時將數(shù)據(jù)輸出; 反之通知發(fā)送方傳輸失敗。

　　3 硬件設計

　　前面介紹了系統(tǒng)整體和軟件設計方面的方案, 下面提供一種系統(tǒng)硬件組成的設計方案。無線模塊電路圖如圖3 所示。

圖3 無線模塊電路圖

　　電路系統(tǒng)主要由電源、復位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成�？蓪崿F(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線收發(fā), 即發(fā)送數(shù)據(jù)時, 計算機通過MAX485 將RS 485 的標準電平轉換為T TL 電平, 再通過CC2430 無線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是CC2430 先接收到數(shù)據(jù)信號, 然后經(jīng)MAX 485將TT L 電平轉換為RS 485 的標準電平, 再通過RS2485 向上位機輸入數(shù)據(jù)。由于CC2430 具有低功耗的特性, 因此選用2 節(jié)干電池為模塊供電。另外, 還選用了AH805 升壓穩(wěn)壓器, 可將3 V 電壓升高至5 V, 故電源部分可提供3 V 或5 V 2 種電壓。其中, 3 V 電壓為CC2430 供電; 5 V 電壓為MAX485 和復位電路供電。若將系統(tǒng)用于PC 機間的通信時, 可以通過引入RS 2322485 轉換器來實現(xiàn)RS 232 標準電平到RS 485標準電平的轉換, 以兼容PC 機RS 232 串口。

　　4 實驗結果

　　在最終的系統(tǒng)測試中, 主要對系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率以及通信距離對數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的影響和傳統(tǒng)有線通信做了單項和對比測試, 測試結果如表1 所示。

　　5 結 語

　　在此將最新的ZigBee 技術用于CC2430, 為RF 收發(fā)器實現(xiàn)了無線通信, 將其與計算機串口結合起來, 可取代傳統(tǒng)的有線串口通信, 并通過實地的系統(tǒng)測試和理論分析, 論證了基于ZigBee 技術的無線通信相比于傳統(tǒng)有線通信的優(yōu)點, 提出了一種新型串口通信的解決方案, 具有廣闊的實用前景。

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