基于ZigBee Mesh網絡的無線串口設計

摘要：利用ZigBee技術，組成具有可“自愈”能力的Mesh網絡，實現無線串口通信。ZigBee技術的Mesh網絡，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。
關鍵詞：ZigBee技術；Mesh網絡；“自愈”能力；無線串口

RS-232串行通信是異步通信中應用最廣的標準總線，在沒有Modem的情況下，一般傳輸距離限制在15 m內，使得遠距離串口通信受到較大限制。無線技術是當今設備通信中取代有線技術的必然趨勢。
本文利用ZigBee無線技術組成Mesh網絡實施串口通信，網絡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網絡的多跳性，數據能夠多跳傳輸，所以數據的傳輸距離取決于跳數的多少，如圖1所示S4經過3跳把數據傳送到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網絡中最大的數傳速率為250 kb·s-1，完全能滿足一般用戶的要求。

1 ZigBee無線串口設計原理
1．1 節(jié)點入網后的初始化
根據ZigBee技術的要求，ZigBee網絡中存在3種角色，協(xié)調器、路由和終端設備，協(xié)調器負責建立網絡，路由器負責路由，終端設備只能收發(fā)數據。協(xié)調器和路由統(tǒng)稱為全功能設備(FFD)。
在此，所有的設備都統(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取名，如：01、02、03表示節(jié)點1、節(jié)點2、節(jié)點3，00保留給協(xié)調器。
協(xié)調器(00)加電后組建網絡，各節(jié)點自動發(fā)現并加入網絡，根據本文的設計，節(jié)點在加入網絡后都會自動地向網絡中的其他節(jié)點廣播其16位網絡地址和名字，網絡中的其他節(jié)點接收到這廣播數據后將該數據儲存在數組NodeAddress[]中，然后以單播的方式向新加入節(jié)點反饋自己的網絡地址和名字，新節(jié)點也將該數據保存在數組NodeAddress[]中，從而保證網絡中的每個節(jié)點都知道其他節(jié)點的網絡地址和名字。具體流程如圖2所示。

1．2 串口數據的格式
當節(jié)點串口有數據要發(fā)送的時候，必須要指明，數據的發(fā)送目的地，所以從串口輸入的數據必須滿足一定的格式，本設計規(guī)定該格式為：××……；××為要發(fā)送的目的節(jié)點名字，……為要發(fā)送的數據。譬如向節(jié)點01發(fā)送數據“ZigBee”，格式為：01 ZigBee。因為節(jié)點在加入網絡的時候，已經建立了名字和網絡地址的對應表，所以發(fā)送節(jié)點會自動將01解釋為網絡地址0x0023，從而將數據準確地發(fā)送到節(jié)點01上。

2 無線串口硬件設計
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)負責組網和接收發(fā)送數據。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絡節(jié)點。CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，使操作更容易，具備不同的運行模式，尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。