基于ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò)的無線串口設(shè)計

摘要：利用ZigBee技術(shù)，組成具有可“自愈”能力的Mesh網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)無線串口通信。ZigBee技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)，單個模塊的傳輸距離在10～100 m之間，加功放在1 km以上。傳輸速率為250 kb·s-1，完全能滿足一般用戶的要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；Mesh網(wǎng)絡(luò)；“自愈”能力；無線串口

    RS-232串行通信是異步通信中應(yīng)用最廣的標(biāo)準(zhǔn)總線，在沒有Modem的情況下，一般傳輸距離限制在15 m內(nèi)，使得遠(yuǎn)距離串口通信受到較大限制。無線技術(shù)是當(dāng)今設(shè)備通信中取代有線技術(shù)的必然趨勢。
    本文利用ZigBee無線技術(shù)組成Mesh網(wǎng)絡(luò)實施串口通信，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個模塊的傳輸距離可達100 m，如果模塊有功放，傳輸距離可上升至1．5 km。因為Mesh網(wǎng)絡(luò)的多跳性，數(shù)據(jù)能夠多跳傳輸，所以數(shù)據(jù)的傳輸距離取決于跳數(shù)的多少，如圖1所示S4經(jīng)過3跳把數(shù)據(jù)傳送到S1，如果每一跳距離是1 km，則傳輸距離達3 km，這有效地解決了有線串口傳送的距離限制問題。同時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中最大的數(shù)傳速率為250 kb·s-1，完全能滿足一般用戶的要求。

1 ZigBee無線串口設(shè)計原理
1．1 節(jié)點入網(wǎng)后的初始化
    根據(jù)ZigBee技術(shù)的要求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種角色，協(xié)調(diào)器、路由和終端設(shè)備，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，路由器負(fù)責(zé)路由，終端設(shè)備只能收發(fā)數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器和路由統(tǒng)稱為全功能設(shè)備(FFD)。
    在此，所有的設(shè)備都統(tǒng)稱為節(jié)點(node)，只是所扮演的角色不一樣，每個節(jié)點都人為地在程序里給它們?nèi)∶?，如?1、02、03表示節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3，00保留給協(xié)調(diào)器。
    協(xié)調(diào)器(00)加電后組建網(wǎng)絡(luò)，各節(jié)點自動發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)本文的設(shè)計，節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)后都會自動地向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點廣播其16位網(wǎng)絡(luò)地址和名字，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點接收到這廣播數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)儲存在數(shù)組NodeAddress[]中，然后以單播的方式向新加入節(jié)點反饋自己的網(wǎng)絡(luò)地址和名字，新節(jié)點也將該數(shù)據(jù)保存在數(shù)組NodeAddress[]中，從而保證網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都知道其他節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址和名字。具體流程如圖2所示。

1．2 串口數(shù)據(jù)的格式
    當(dāng)節(jié)點串口有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時候，必須要指明，數(shù)據(jù)的發(fā)送目的地，所以從串口輸入的數(shù)據(jù)必須滿足一定的格式，本設(shè)計規(guī)定該格式為：××……；××為要發(fā)送的目的節(jié)點名字，……為要發(fā)送的數(shù)據(jù)。譬如向節(jié)點01發(fā)送數(shù)據(jù)“ZigBee”，格式為：01 ZigBee。因為節(jié)點在加入網(wǎng)絡(luò)的時候，已經(jīng)建立了名字和網(wǎng)絡(luò)地址的對應(yīng)表，所以發(fā)送節(jié)點會自動將01解釋為網(wǎng)絡(luò)地址0x0023，從而將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地發(fā)送到節(jié)點01上。

2 無線串口硬件設(shè)計
2．1 系統(tǒng)框圖

    串口接收、發(fā)送系統(tǒng)可以是PC或者其他嵌入式系統(tǒng)，ZigBee控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)組網(wǎng)和接收發(fā)送數(shù)據(jù)。這里主要研究ZigBee控制系統(tǒng)。
2．2 芯片選擇
    選擇TI公司的2．4 GHz片上系統(tǒng)解決方案CC2530。CC2530是用于IEEES02．15．4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個片上系統(tǒng)解決方案。它能以較低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051CPU，使操作更容易，具備不同的運行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。
2．3 無線串口電路設(shè)計
    CC2530中的P0_1和P0_2為TTL電平的串口接收發(fā)送管腳，可直接與TTL電平的串口系統(tǒng)相連，如果與PC機連，要加上MAX232模塊。可見該無線串口與其他系統(tǒng)的兼容性很強，而且連接方便。

3 軟件設(shè)計
3．1 ZigBee協(xié)議棧簡介
    ZigBee協(xié)議棧以IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，IEEES02．15．4工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計。其中，應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對象(ZDO)及由制造商制定的應(yīng)用對象。如圖5所示。

    采用TI公司的Z—Stack 07協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee協(xié)議。Z—Stack 07協(xié)議棧，對之前幾個版本的協(xié)議進行了改進，使得網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性更強，組網(wǎng)更靈活。
3．2 主體程序流程與任務(wù)
    TI的Z—Stack 07／PRO協(xié)議棧，對應(yīng)的開發(fā)環(huán)境為IAR 7．51A。在安裝完Z—Stack 07協(xié)議棧之后，用IAR打開工程文件GenericApp，GenericApp是TI公司專門為開發(fā)者提供的開發(fā)模板，在此借助該模板實現(xiàn)無線串口。
    打開GenericApp后，如圖6所示，App文件夾即為應(yīng)用層代碼文件夾。利用模板只需在GenericApp．c中加入實現(xiàn)代碼，就可以實現(xiàn)無線串口。

    Z—Stack采用操作系統(tǒng)的思想來構(gòu)建，采用任務(wù)輪循機制，當(dāng)各層初始化之后，系統(tǒng)進入低功耗模式，當(dāng)任務(wù)有事件發(fā)生時，喚醒系統(tǒng)，開始進入中斷處理任務(wù)事件，結(jié)束后繼續(xù)進入低功耗模式。如果同時有幾個事件發(fā)生，判斷優(yōu)先級，逐次處理事件。Z—Stack的工作流程如圖7所示。

3．3 無線串口程序流程
    因為Z—Stack是采用任務(wù)輪循機制，GenericApp是屬于其中的一個任務(wù)，在文件GenericApp．c中的任務(wù)初始化函數(shù)GenericApp_Init()中添加串口初始化代碼，在GenericApp_ProcessEven()函數(shù)中添加無線串口收發(fā)事件Serial_RecEven和Serial_TranEven的處理函數(shù)。圖8和圖9是GenericApp_Init()函數(shù)流程圖和GenericApp_ProcessEven()函數(shù)流程圖。

    圖中初始化NV Flash是用以儲存其他節(jié)點網(wǎng)絡(luò)地址名字對應(yīng)表。
    當(dāng)節(jié)點上電加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，便會執(zhí)行GenericApp_Init()函數(shù)，初始化串口，并向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點以廣播的方式發(fā)送其網(wǎng)絡(luò)地址和名字。
    當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點接收到數(shù)據(jù)時，便會觸發(fā)接收數(shù)據(jù)事件，GenericApp_ProcessEven()函數(shù)判斷是串口接收數(shù)據(jù)命令還是儲存網(wǎng)絡(luò)地址命令，如果是前者，便將數(shù)據(jù)寫到串口；如果是后者則先判斷是否來自于廣播方式發(fā)送來的數(shù)據(jù)：若是則儲存該網(wǎng)絡(luò)地址和名字，并且以單播的方式回饋本節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址，保證網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點都知道其他節(jié)點的地址和名字；若不是就儲存該網(wǎng)絡(luò)地址和名字，不用反饋本節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址和名字。
    當(dāng)GenericApp_ProcessEven()函數(shù)檢測到Serial_TranEven事件發(fā)生時，便讀串口并將數(shù)據(jù)按照約定的格式發(fā)送出去。

4 實際測試
4．1 測試1
    無功放ZigBee模塊W00與W02，如圖10～圖12所示。

    實驗環(huán)境：足球場，可視距離100 m。實驗結(jié)果如圖12所示。
    Node：02 ShortAddress：0x3595是W02加入網(wǎng)絡(luò)后自動向W00發(fā)送網(wǎng)絡(luò)地址和名字。因為W00是協(xié)調(diào)器，默認(rèn)地址為0x00，已預(yù)存在各模塊中。
4．2 測試2
    無功放ZigBee模塊W00，W02，W03和W04，實驗環(huán)境：各大樓之間。如圖13所示。

    W00與W02、W03能直接通信，W00經(jīng)過兩跳后可與W04，通信，W02經(jīng)過兩跳后可以與W04通信。實驗結(jié)果截圖如14所示。

    Node：04 ShortAddress：0xE805是W04入網(wǎng)后向W02發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)地址和名字，Node：02 ShortAddress：0x3595是W02節(jié)點回饋的網(wǎng)絡(luò)地址和名字。由實驗可知，基于ZigBee的無線串口通信，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠，有效解決長距離串口通信問題。

5 Mesh網(wǎng)絡(luò)無線串口的特點
    (1)能夠遠(yuǎn)距離串口通信。通信距離取決于單個節(jié)點的有效傳輸距離和跳數(shù)，一般無功放模塊傳輸距離為100 m，經(jīng)過5跳可以傳輸500 m的距離。如果加上功放，單個節(jié)點的傳輸距離為1．5 km，5跳為7．5 km。缺點是加上功放，成本增加。
    (2)Mesh網(wǎng)絡(luò)具有自愈能力，當(dāng)某條路徑被切斷，節(jié)點會自動尋找另外的路徑傳輸數(shù)據(jù)，如圖15所示。

    (3)兼容性好，易安裝。簡單的串口線連接。由圖4可知，從模塊中引出4根TTL電平的串口線，直接可以與嵌入式系統(tǒng)連接，或者加上MAX232便可以與PC連接。

6 結(jié)束語
    利用ZigBee無線技術(shù)組成Mesh網(wǎng)絡(luò)實施串口通信，無線通信距離取決于單跳距離和跳數(shù)，而默認(rèn)最大跳數(shù)為20，但多跳的出現(xiàn)會導(dǎo)致數(shù)據(jù)延時，出現(xiàn)誤碼。建議跳數(shù)控制在5跳之內(nèi)，此時數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、時延短、誤碼率低，能有效地解決有線串口距離限制的問題。