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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)是繼現場(chǎng)總線(xiàn)、工業(yè)以太網(wǎng)之后，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域又一個(gè)研究熱點(diǎn)。 實(shí)際上，無(wú)論是場(chǎng)總線(xiàn)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)議轉換、異 構網(wǎng)絡(luò )接入過(guò)程中，網(wǎng)關(guān)起著(zhù)重要作用。工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)要應用于工控領(lǐng)域，也面臨諸如 開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(luò )，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，其在工業(yè)自動(dòng)化 應用中，一般要接入上層網(wǎng)絡(luò )。本文介紹一種ZIGBEE/工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設計，實(shí)現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(dòng)化儀表廣泛支持 的Modbus/RTU 協(xié)議。

2 網(wǎng)關(guān)硬件體系結構

網(wǎng)關(guān)硬件體系結構如圖 1 所示。系統以Rabbit3000 MPU 為核心，擴展了以太網(wǎng)接口、 ZigBee 無(wú)線(xiàn)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(xiàn)（A0～A18）、數據線(xiàn)（D0～D7）、片選 線(xiàn)（CS0～CS2）、讀寫(xiě)線(xiàn)（OE0、OE1、WE0、WE1）直接無(wú)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)體系結構

SZ05-ZBEE 是上海順舟公司的無(wú)線(xiàn)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、數據接口、 控制接口和系統指示燈接口和天線(xiàn)接口等，采用IEEE802.15.4/ZIGBEE 標準地址尋址，支持 星型、樹(shù)型、鏈型、網(wǎng)狀網(wǎng)等拓撲結構。SZ05-ZBEE通過(guò)RX1、TX1（串行通信接口）直接與 Rabbit3000的PC6、PC7（串行通信口A(yíng)）連接。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設計

網(wǎng)關(guān)的主要功能是實(shí)現Zigbee與以太網(wǎng)之間的數據傳輸。SZ05-ZBEE無(wú)線(xiàn)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(shí)現透明串口 傳輸。為適應短幀實(shí)時(shí)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(lèi)似于Modbus/TCP協(xié)議，也可以稱(chēng)以太網(wǎng)側協(xié)議為Modbus/UDP 協(xié)議[3]。網(wǎng)關(guān)軟件基于Dynamic C和μC/OS-Ⅱ實(shí)時(shí)操作系統設計。

3.1 網(wǎng)關(guān)轉發(fā)報文的總體設計

Modbus 標準中規定了完整的消息、數據結構、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，定義的是一種以數據幀形式表示的能使設備相互識別和使用的 消息結構。因此，可以不對數據包作任何修改，將Modbus/RTU 報文作為應用層數據在不 同網(wǎng)絡(luò )之間傳輸。

網(wǎng)關(guān)中即是將 Modbus/RTU 報文作為UDP 和ZigBee 應用層數據傳輸。主站報文通過(guò) UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過(guò)串口發(fā)給SZ05-ZBEE，轉化為 ZigBee 報文發(fā)送；從站的ZigBee 報文由SZ05-ZBEE 轉為串口數據接收，去掉ZigBee 短地 址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網(wǎng)口轉發(fā)。具體程序包括5 個(gè)任務(wù)：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。系統程序結構如圖2 所示。

圖2 系統程序結構