基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的串行通信技術(shù)

摘 要: ZigBee 技術(shù)具有低復(fù)雜度, 低功耗、低成本等優(yōu)勢, 在監(jiān)測和控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。分析了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn), 提出利用以ZigBee 協(xié)議為基礎(chǔ)的射頻芯片模塊實(shí)現(xiàn)無線串口的設(shè)計(jì), 進(jìn)一步拓展串口的應(yīng)用范圍。經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證, 該設(shè)計(jì)方法可靠, 操作簡單方便, 功耗小, 成本低, 同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信, 適合于低速率的數(shù)據(jù)傳輸, 具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　0 引 言

　　隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用的普及, 計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)終端間的通信應(yīng)用日益廣泛, 由于電氣標(biāo)準(zhǔn)相對成熟和完善, 串口通信在其中的應(yīng)用十分廣泛。但在通信設(shè)備距離相對較遠(yuǎn)或者有線電纜鋪設(shè)不便的情形下,無線串口通信的實(shí)現(xiàn)將有利于拓展串口的應(yīng)用范圍, 同時(shí)有效節(jié)約資源。當(dāng)前無線串口通信的實(shí)現(xiàn)主要依靠藍(lán)牙、紅外、WIFI 等技術(shù), 但藍(lán)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(lán)牙的距離也僅在10 m 左右, 并且WIFI 和藍(lán)牙系統(tǒng)的建設(shè)和使用成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Zig2Bee 系統(tǒng), 且ZigBee 具有低功耗、高通信距離等優(yōu)點(diǎn),在無線串口的實(shí)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(chǔ)的射頻芯片CC2430 模塊實(shí)現(xiàn)無線串口技術(shù), 利用CC2430 自帶的UART 模式, 向下兼容RS 232協(xié)議, 有很強(qiáng)的應(yīng)用性和推廣性。利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無線串口在設(shè)備數(shù)目較多, 拓?fù)湎鄬?fù)雜, 互相通信需要穿越墻體等障礙物時(shí), 具有通信距離遠(yuǎn), 功耗低, 安全可靠的優(yōu)點(diǎn) 。

　　1 ZigBee 技術(shù)

　　ZigBee 是一種基于IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用, 主要用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量和控制方面。

　　CC2430 芯片是Chipcon 公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee 應(yīng)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(nèi)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(jī)、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、看門狗、ASE 協(xié)處理器、FLASH 控制器、DMA 控制器、復(fù)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(dāng)作為異步串行接口, 使用UART 模式時(shí), 有2 種線路構(gòu)成可供選擇。一種是只包含RXT, TXD 的雙線構(gòu)成; 另一種是比雙線構(gòu)成多包含了RT S 和CTS 的4 線構(gòu)成。

　　UART 模式具有以下特點(diǎn):

　　具有8 或者9 位數(shù)據(jù)位; 奇校驗(yàn), 偶校驗(yàn)或者無奇偶校驗(yàn); 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(dú)立的接受和發(fā)送中斷; 獨(dú)立的接受和發(fā)送DMA 觸發(fā); 奇偶校驗(yàn)和幀校驗(yàn)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(gòu)成

　　ZigBee 標(biāo)準(zhǔn)是基于802. 15. 4 協(xié)議棧而建立的,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)支持星狀( star ) 、樹狀( cluster tr ee) 和網(wǎng)狀(mesh) 3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu), 具有可靠性高, 組網(wǎng)簡單靈活, 網(wǎng)絡(luò)容量大, 自組織和自愈能力強(qiáng), 通信可靠的優(yōu)勢。如圖1 所示, 在設(shè)備分布數(shù)目多, 分布范圍廣, 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí), 架設(shè)在ZigBee 網(wǎng)絡(luò)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(kuò)大串口的應(yīng)用范圍。

圖1 無線串口的應(yīng)用