基于Modbus協(xié)議的ZigBee/工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計

1 引言

工業(yè)無線通信技術(shù)是繼現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)之后，工業(yè)自動化領(lǐng)域又一個研究熱點。 實際上，無論是場總線還是工業(yè)以太網(wǎng)，都已經(jīng)形成了多標準并存的局面，在協(xié)議轉(zhuǎn)換、異 構(gòu)網(wǎng)絡接入過程中，網(wǎng)關(guān)起著重要作用。工業(yè)無線通信技術(shù)要應用于工控領(lǐng)域，也面臨諸如 開放性、互操作等技術(shù)。

ZigBee 因其低成本、低功耗、組網(wǎng)靈活等眾多優(yōu)勢，成為工業(yè)無線通信技術(shù)中備受關(guān) 注的技術(shù)之一。ZigBee 是一種低速網(wǎng)絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，其在工業(yè)自動化 應用中，一般要接入上層網(wǎng)絡。本文介紹一種ZIGBEE/工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計，實現(xiàn)ZIGBEE 與工業(yè)以太網(wǎng)的一種接入，設計中ZigBee 和工業(yè)以太網(wǎng)應用層都采用自動化儀表廣泛支持 的Modbus/RTU 協(xié)議。

2 網(wǎng)關(guān)硬件體系結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)硬件體系結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。系統(tǒng)以Rabbit3000 MPU 為核心，擴展了以太網(wǎng)接口、 ZigBee 無線通信接口和基本的FLASH、RAM 及電源電路。圖中SST39LF040 為512KFLASH， AS7C4096 為512K SRAM，與Rabbit3000 的地址線（A0～A18）、數(shù)據(jù)線（D0～D7）、片選 線（CS0～CS2）、讀寫線（OE0、OE1、WE0、WE1）直接無譯碼相連。AX88796L 為以太 網(wǎng)接口控制芯片，10M/100M 兼容，3.3V 供電。AX88796L 的TPOP、TPON、TPIP、TPIN 接RJ45 連接器LF1S022。

圖1 ZIGBEE/工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)

SZ05-ZBEE 是上海順舟公司的無線通信模塊，模塊將Freescale的MC13213及外圍電路 布置在2.75×4.8cm的PCB板上，提供標準2.54 雙排插針接口，包含電源接口、數(shù)據(jù)接口、 控制接口和系統(tǒng)指示燈接口和天線接口等，采用IEEE802.15.4/ZIGBEE 標準地址尋址，支持 星型、樹型、鏈型、網(wǎng)狀網(wǎng)等拓撲結(jié)構(gòu)。SZ05-ZBEE通過RX1、TX1（串行通信接口）直接與 Rabbit3000的PC6、PC7（串行通信口A）連接。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設計

網(wǎng)關(guān)的主要功能是實現(xiàn)Zigbee與以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。SZ05-ZBEE無線通信模塊集成 了符合ZigBee協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，初始化設置后，模塊即可以實現(xiàn)透明串口 傳輸。為適應短幀實時和確定性通信發(fā)展趨勢，以太網(wǎng)通信采用UDP/IP協(xié)議，應用層采用 Modbus/RTU主從式協(xié)議。類似于Modbus/TCP協(xié)議，也可以稱以太網(wǎng)側(cè)協(xié)議為Modbus/UDP 協(xié)議[3]。網(wǎng)關(guān)軟件基于Dynamic C和μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)設計。

3.1 網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)報文的總體設計

Modbus 標準中規(guī)定了完整的消息、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、命令和應答方式，但只是OSI 模型第7 層上的應用層報文傳輸協(xié)議，定義的是一種以數(shù)據(jù)幀形式表示的能使設備相互識別和使用的 消息結(jié)構(gòu)。因此，可以不對數(shù)據(jù)包作任何修改，將Modbus/RTU 報文作為應用層數(shù)據(jù)在不 同網(wǎng)絡之間傳輸。

網(wǎng)關(guān)中即是將 Modbus/RTU 報文作為UDP 和ZigBee 應用層數(shù)據(jù)傳輸。主站報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發(fā)給SZ05-ZBEE，轉(zhuǎn)化為 ZigBee 報文發(fā)送；從站的ZigBee 報文由SZ05-ZBEE 轉(zhuǎn)為串口數(shù)據(jù)接收，去掉ZigBee 短地 址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)。具體程序包括5 個任務：UDP 接收、串口 發(fā)送、串口接收、UDP 發(fā)送以及嵌入式Web Server。嵌入式Web Server 用于設備管理。系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)