ZigBee 技術具有低復雜度, 低功耗、低成本等優勢, 在監測和控制領域具有廣闊的應用前景。分析了ZigBee 網絡的優點, 提出利用以ZigBee 協議為基礎的射頻芯片模塊實現無線串口的設計, 進一步拓展串口的應用范圍。經過實踐驗證, 該設計方法可靠, 操作簡單方便, 功耗小, 成本低, 同時可以實現多機通信, 適合于低速率的數據傳輸, 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、計算機與數據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將有利于拓展串口的應用范圍, 同時有效節約資源。當前無線串口通信的實現主要依靠藍牙、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 和藍牙系統的建設和使用成本都遠遠高于Zig2Bee 系統, 且ZigBee 具有低功耗、高通信距離等優點,在無線串口的實現中具有明顯的優勢。本系統利用以ZigBee 協議為基礎的射頻芯片CC2430 模塊實現無線串口技術, 利用CC2430 自帶的UART 模式, 向下兼容RS 232協議, 有很強的應用性和推廣性。利用ZigBee網絡架構無線串口在設備數目較多, 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、近距離的設備聯網應用, 主要用于無線傳感器網絡的測量和控制方面。

CC2430 芯片是Chipcon 公司推出的用來實現嵌入式ZigBee 應用的片上系統。它支持2. 4G IEEE802. 15. 4/ ZigBee 協議。根據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/ 數轉換器、定時器、看門狗、ASE 協處理器、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 位數據位; 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; 可配置低有效位優先傳送或者高有效位優先傳送; 獨立的接受和發送中斷; 獨立的接受和發送DMA 觸發; 奇偶校驗和幀校驗錯誤狀態; 提供全雙工異步傳輸, 接收器中的位同步不影響發送功能。

2 系統構成

ZigBee 標準是基于802. 15. 4 協議棧而建立的,ZigBee 網絡支持星狀( star ) 、樹狀( cluster tr ee) 和網狀(mesh) 3 種拓撲結構, 具有可靠性高, 組網簡單靈活, 網絡容量大, 自組織和自愈能力強, 通信可靠的優勢。如圖1 所示, 在設備分布數目多, 分布范圍廣, 拓撲結構復雜時, 架設在ZigBee 網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

在發送數據時, 數據通過串口USART 進入CC2430 的DATA 內存區。為了提高傳輸速度, 使用DMA 傳輸方式將內存區中的數據送達射頻模塊的TXFIFO 中, 數據進入射頻模塊后, 經過一系列的硬件處理, 最后通過天線發射無線信號。接收數據是發送數據的逆過程。射頻模塊從天線接收到無線信號, 通過一系列的硬件處理, 將信號轉換為數據, 存放在RXFIFO中, 再通過DMA 方式送入DATA 內存區中, 最后通過USART 串口將接收到的數據送出。數據在無線模塊的傳輸路徑如圖2 所示。

不難看出, 整個數據傳輸過程大部分在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, 能夠提供較高的系統穩定性和可靠性。

圖2 數據在無線模塊中的傳輸路徑

ZigBee 模塊接收到的數據幀作為網絡層的負荷, 通過ZigBee 網絡發送給目標節點。網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 為數據幀; 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 個字符表示數據傳送的目標節點( destination address) 。第4 個字符表示數據的源節點( source address) 。第5 個字符表示數據的長度( datalength) 。后續是數據負荷( data payload) , 長度為datalength。最后一個字符是校驗和( check sum) , 其值根據下式算得。

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

3 硬件設計

前面介紹了系統整體和軟件設計方面的方案, 下面提供一種系統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

電路系統主要由電源、復位電路、串口連接電路和無線收發電路組成。可實現串口數據的無線收發, 即發送數據時, 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 無線發送。接收數據則是CC2430 先接收到數據信號, 然后經MAX 485將TT L 電平轉換為RS 485 的標準電平, 再通過RS2485 向上位機輸入數據。由于CC2430 具有低功耗的特性, 因此選用2 節干電池為模塊供電。另外, 還選用了AH805 升壓穩壓器, 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。若將系統用于PC 機間的通信時, 可以通過引入RS 2322485 轉換器來實現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

在最終的系統測試中, 主要對系統在數據傳輸速率以及通信距離對數據傳輸誤碼率的影響和傳統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 收發器實現了無線通信, 將其與計算機串口結合起來, 可取代傳統的有線串口通信, 并通過實地的系統測試和理論分析, 論證了基于ZigBee 技術的無線通信相比于傳統有線通信的優點, 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。