利用ARM微處理器和ZigBee模塊組成無線串口集線器

ZigBee無線通信模塊^[2]在整個集線器設計中也起著舉足輕重的作用。ZigBee模塊中RF（射頻）收發(fā)器采用射頻收發(fā)模塊采用UZ2400芯片，微處理器采用8051芯片。RF收發(fā)器是ZigBee設備的核心，任何ZigBee設備都要有RF收發(fā)器。它與用于廣播的普通無線收發(fā)器的不同之處在于體積小，功耗低，支持電池供電的設備。它主要進行信號的調制與解調、發(fā)送和接收等。微處理器通過SPI總線與RF收發(fā)器相連，主要用于處理射頻信號、控制和協(xié)調各部分器件的工作，通過串口與外部設備之間進行通信。ZigBee模塊還包括存儲器、晶振、天線、串口等器件。如圖3所示：

圖3 ZigBee無線通信模塊結構圖

4 軟件設計

4.1 操作系統(tǒng)軟件設計

軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件和應用程序兩部分。集線器ARM9微處理器中ARM BIOS軟件完成ARM的初始化、SDRAM設置以及嵌入式Linux的加載，最后控制權交給操作系統(tǒng)Linux，此后系統(tǒng)在Linux的管理下運行應用程序。

ARM9微處理器中，選用嵌入式Linux^[3-5]作為操作系統(tǒng)。與其他嵌入式操作系統(tǒng)相比，Linux以其易于移植裁減、內核小、效率高、完整及性能優(yōu)異的網(wǎng)絡模塊、源代碼開放并有眾多的開發(fā)者等優(yōu)越的性能，在嵌入式領域得到廣泛的認同。所以采用Linux可使產(chǎn)品研發(fā)周期大大縮短。采用ARM9微處理器及嵌入式Linux操作系統(tǒng)可開發(fā)出在多媒體及無線通信等方面具有優(yōu)異性能的無線手持設備。

用嵌入式Linux軟件系統(tǒng)進行系統(tǒng)開發(fā)，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面等。首先建立交叉編譯環(huán)境。建好交叉編譯環(huán)境之后，大致還要做以下五方面的工作：①引導裝載程序(BootLoader)，能實現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導，提供瞬間開機功能。負責將Linux內核加載到內存，并將控制權交給內核初始化程序；②Linux內核(Kernel)的移植與裁減，Linux內核采用模塊化的組織結構，通過增減內核模塊的方式來增減系統(tǒng)的功能，正確合理的設置內核的功能模塊，只編譯系統(tǒng)所需功能的代碼，來獲得更高的運行速度；③裝載文件系統(tǒng)(File system)嵌入式系統(tǒng)一般不具備硬盤等大容量存儲體，而用Flash為主存儲器，其文件系統(tǒng)也具有特殊性；④開發(fā)圖形用戶界面(GUI)；⑤選擇上層應用程序(Application)。

其中較為重要的是對ZigBee無線通信模塊協(xié)議的編寫。根據(jù)硬件條件的需要改寫ZigBee協(xié)議^[6]，使系統(tǒng)在最簡潔的程序下發(fā)揮硬件的最大功能。ZigBee是基于802.15.4標準開發(fā)的關于組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準。ZigBee協(xié)議包括高層應用規(guī)范(profile)、匯聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。其中數(shù)據(jù)鏈路層和物理層標準由IEEE 802.15.4負責制定，網(wǎng)絡層以上由ZigBee聯(lián)盟制定。IEEE 802.15.4標準于2003年5月制定完成，它滿足國際標準化組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。IEEE 802.15.4協(xié)議與其他無線網(wǎng)絡相比，突出的優(yōu)點是：組網(wǎng)能力強，適應面廣，可靠性高，節(jié)能性好。

相對于其他常見的無線通信標準，ZigBee協(xié)議棧具有緊湊而且簡單的特點，而且對環(huán)境配置要求不高。如圖4所示：

圖4 ZigBee的協(xié)議棧模型

ZigBee節(jié)點加入及脫離網(wǎng)絡握手協(xié)議的設計為：當某一個ZigBee節(jié)點要求加入網(wǎng)絡時，只要將自己的信道設置成與集線器中ARM微處理器所使用的信道相同，并提供正確的認證信息，即可請求加入網(wǎng)絡。同理，一個ZigBee節(jié)點要離開網(wǎng)絡，只須向ARM微處理器提出請求即可。一個節(jié)點成功地加入或脫離網(wǎng)絡，都必須由ARM微處理器控制。因此，集線器中ARM微處理器可以實時掌握網(wǎng)絡的所有節(jié)點信息。

4.2 應用軟件設計

應用軟件在系統(tǒng)軟件Linux的平臺上進行開發(fā)。應用軟件根據(jù)實際需要進行安裝，可以廣泛應用于工業(yè)控制、家庭自動化、醫(yī)療護理、智能農業(yè)、消費類電子和遠程控制等領域。安裝不同的應用程序實現(xiàn)對各種智能電器、偵測/監(jiān)控設備的通信和操控。

5 結束語

本文是利用ARM微處理器和ZigBee模塊組成無線串口集線器，進而組成無線網(wǎng)絡?；赯igBee的串口集線器的應用將是大量的。它可以應用于家庭網(wǎng)、樓宇自動化、車載系統(tǒng)、小型辦公室等，具有布置美觀方便，無須專業(yè)人員維護等優(yōu)點，對未來社會信息化進程將具有深遠的意義。Internet的家庭寬帶接入和家庭設備共享將成為主流，串口集線器在家庭中將發(fā)揮不可替代的作用。另外，基于ZigBee的串口集線器在工農業(yè)生產(chǎn)等方面的應用前景也是廣闊的，它可以應用于工農業(yè)生產(chǎn)中的自動化、網(wǎng)絡化和智能化地進行遠程設備控制。