基于ZigBee Mesh網(wǎng)絡(luò )的無(wú)線(xiàn)串口設計

摘要：利用ZigBee技術(shù)，組成具有可“自愈”能力的Mesh網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現無(wú)線(xiàn)串口通信。ZigBee技術(shù)的Mesh網(wǎng)絡(luò )，單個(gè)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(mǎn)足一般用戶(hù)的要求。
關(guān)鍵詞：ZigBee技術(shù)；Mesh網(wǎng)絡(luò )；“自愈”能力；無(wú)線(xiàn)串口

RS-232串行通信是異步通信中應用最廣的標準總線(xiàn)，在沒(méi)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(wú)線(xiàn)技術(shù)是當今設備通信中取代有線(xiàn)技術(shù)的必然趨勢。
本文利用ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)組成Mesh網(wǎng)絡(luò )實(shí)施串口通信，網(wǎng)絡(luò )中任意兩個(gè)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(wǎng)絡(luò )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(jīng)過(guò)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(xiàn)串口傳送的距離限制問(wèn)題。同時(shí)，ZigBee網(wǎng)絡(luò )中最大的數傳速率為250 kb·s-1，完全能滿(mǎn)足一般用戶(hù)的要求。

1 ZigBee無(wú)線(xiàn)串口設計原理
1．1 節點(diǎn)入網(wǎng)后的初始化
根據ZigBee技術(shù)的要求，ZigBee網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )，路由器負責路由，終端設備只能收發(fā)數據。協(xié)調器和路由統稱(chēng)為全功能設備(FFD)。
在此，所有的設備都統稱(chēng)為節點(diǎn)(node)，只是所扮演的角色不一樣，每個(gè)節點(diǎn)都人為地在程序里給它們取名，如：01、02、03表示節點(diǎn)1、節點(diǎn)2、節點(diǎn)3，00保留給協(xié)調器。
協(xié)調器(00)加電后組建網(wǎng)絡(luò )，各節點(diǎn)自動(dòng)發(fā)現并加入網(wǎng)絡(luò )，根據本文的設計，節點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò )后都會(huì )自動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)廣播其16位網(wǎng)絡(luò )地址和名字，網(wǎng)絡(luò )中的其他節點(diǎn)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點(diǎn)反饋自己的網(wǎng)絡(luò )地址和名字，新節點(diǎn)也將該數據保存在數組NodeAddress[]中，從而保證網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn)都知道其他節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )地址和名字。具體流程如圖2所示。

1．2 串口數據的格式
當節點(diǎn)串口有數據要發(fā)送的時(shí)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(mǎn)足一定的格式，本設計規定該格式為：××……；××為要發(fā)送的目的節點(diǎn)名字，……為要發(fā)送的數據。譬如向節點(diǎn)01發(fā)送數據“ZigBee”，格式為：01 ZigBee。因為節點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò )的時(shí)候，已經(jīng)建立了名字和網(wǎng)絡(luò )地址的對應表，所以發(fā)送節點(diǎn)會(huì )自動(dòng)將01解釋為網(wǎng)絡(luò )地址0x0023，從而將數據準確地發(fā)送到節點(diǎn)01上。

2 無(wú)線(xiàn)串口硬件設計
2．1 系統框圖

串口接收、發(fā)送系統可以是PC或者其他嵌入式系統，ZigBee控制系統負責組網(wǎng)和接收發(fā)送數據。這里主要研究ZigBee控制系統。
2．2 芯片選擇
選擇TI公司的2．4 GHz片上系統解決方案CC2530。CC2530是用于IEEES02．15．4、ZigBee和RF4CE應用的一個(gè)片上系統解決方案。它能以較低的總材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。CC2530結合了領(lǐng)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。