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

摘要：利用ZigBee技術(shù)，組成具有可“自愈”能力的Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線串口通信。ZigBee技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò)，單個(gè)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(shì)。
本文利用ZigBee無線技術(shù)組成Mesh網(wǎng)絡(luò)實(shí)施串口通信，網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)模塊的傳輸距離可達(dá)100 m，如果模塊有功放，傳輸距離可上升至1．5 km。因?yàn)镸esh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(dá)3 km，這有效地解決了有線串口傳送的距離限制問題。同時(shí)，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(jì)原理
1．1 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)(node)，只是所扮演的角色不一樣，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都人為地在程序里給它們?nèi)∶纾?1、02、03表示節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)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(diǎn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)并加入網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)本文的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后都會(huì)自動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)接收到這廣播數(shù)據(jù)后將該數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)組NodeAddress[]中，然后以單播的方式向新加入節(jié)點(diǎn)反饋?zhàn)约旱木W(wǎng)絡(luò)地址和名字，新節(jié)點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)都知道其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)串口有數(shù)據(jù)要發(fā)送的時(shí)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(jì)規(guī)定該格式為：××……；××為要發(fā)送的目的節(jié)點(diǎn)名字，……為要發(fā)送的數(shù)據(jù)。譬如向節(jié)點(diǎn)01發(fā)送數(shù)據(jù)“ZigBee”，格式為：01 ZigBee。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，已經(jīng)建立了名字和網(wǎng)絡(luò)地址的對(duì)應(yīng)表，所以發(fā)送節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)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(diǎn)01上。

2 無線串口硬件設(shè)計(jì)
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(gè)片上系統(tǒng)解決方案。它能以較低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。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(qiáng)型8051CPU，使操作更容易，具備不同的運(yùn)行模式，尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。