基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的串行通信技術(shù)

摘 要:ZigBee技術(shù)具有低復(fù)雜度，低功耗、低成本等優(yōu)勢，在監(jiān)測和控制領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。分析了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，提出利用以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的射頻芯片模塊實現(xiàn)無線串口的設(shè)計，進一步拓展串口的應(yīng)用范圍。經(jīng)過實踐驗證，該設(shè)計方法可靠，操作簡單方便，功耗小，成本低，同時可以實現(xiàn)多機通信，適合于低速率的數(shù)據(jù)傳輸，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:ZigBee; CC2430; 無線串口; 多機通信

中圖分類號:TN925-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)18-0151-03

Serial Communication Based on Wireless Sensor Network Nodes

GAO Shan， YUAN Jie

(School of Electronics Science and Engineering， Nanjing University， Nanjing 210046， China)

Abstract: Because of the advantages of low complexity， low power and low cost， ZigBee technique has wide application in the fields of monitoring and control. This design analyzes the advantages of ZigBee network， and proposes the wireless serial port design achieved by ZigBee-based RF chip module， the application of serial port is expanded. The experiment verifies that it has reliable method， easy operation， low power consumption and low cost， and its multi-machine communication can be achieved. It is suitable for low-speed data transmission， and has broad application prospects. Keywords: ZigBee; CC2430; wireless serial interface; communication of multi-computer

0 引 言

隨著計算機應(yīng)用的普及，計算機與計算機、計算機與數(shù)據(jù)終端間的通信應(yīng)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(yīng)用十分廣泛。但在通信設(shè)備距離相對較遠或者有線電纜鋪設(shè)不便的情形下，無線串口通信的實現(xiàn)將有利于拓展串口的應(yīng)用范圍，同時有效節(jié)約資源。當前無線串口通信的實現(xiàn)主要依靠藍牙、紅外、WIFI等技術(shù)，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(tǒng)的建設(shè)和使用成本都遠遠高于ZigBee系統(tǒng)，且ZigBee具有低功耗、高通信距離等優(yōu)點，在無線串口的實現(xiàn)中具有明顯的優(yōu)勢。本系統(tǒng)利用以ZigBee協(xié)議為基礎(chǔ)的射頻芯片CC2430模塊實現(xiàn)無線串口技術(shù)，利用CC2430自帶的UART模式，向下兼容RS 232協(xié)議，有很強的應(yīng)用性和推廣性。利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無線串口在設(shè)備數(shù)目較多，拓撲相對復(fù)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(yōu)點[1-2]。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，主要用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的測量和控制方面。

CC2430 芯片是 Chipcon 公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式 ZigBee 應(yīng)用的片上系統(tǒng)。它支持2.4G IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議。根據(jù)芯片內(nèi)置閃存的不同容量，提供給用戶3個版本，即CC2430-F32/64/128，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(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器、看門狗、ASE協(xié)處理器、FLASH控制器、DMA控制器、復(fù)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USART0和USART1。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(gòu)成可供選擇。一種是只包含RXT，TXD的雙線構(gòu)成;另一種是比雙線構(gòu)成多包含了RTS和CTS的4線構(gòu)成。

UART模式具有以下特點[3-4]:

具有8或者9位數(shù)據(jù)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(yōu)先傳送或者高有效位優(yōu)先傳送;獨立的接受和發(fā)送中斷;獨立的接受和發(fā)送DMA觸發(fā);奇偶校驗和幀校驗錯誤狀態(tài);提供全雙工異步傳輸，接收器中的位同步不影響發(fā)送功能。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

ZigBee標準是基于802.15.4協(xié)議棧而建立的，ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星狀(star)、樹狀(cluster tree)和網(wǎng)狀(mesh)3種拓撲結(jié)構(gòu)，具有可靠性高，組網(wǎng)簡單靈活，網(wǎng)絡(luò)容量大，自組織和自愈能力強，通信可靠的優(yōu)勢[5]。

如圖1 所示，在設(shè)備分布數(shù)目多，分布范圍廣，拓撲結(jié)構(gòu)復(fù)雜時，架設(shè)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用范圍。

圖1 無線串口的應(yīng)用

在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)通過串口USART進入CC2430的DATA內(nèi)存區(qū)。為了提高傳輸速度，使用DMA傳輸方式將內(nèi)存區(qū)中的數(shù)據(jù)送達射頻模塊的TXFIFO中，數(shù)據(jù)進入射頻模塊后，經(jīng)過一系列的硬件處理，最后通過天線發(fā)射無線信號。接收數(shù)據(jù)是發(fā)送數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，存放在RXFIFO中，再通過DMA方式送入DATA內(nèi)存區(qū)中，最后通過USART串口將接收到的數(shù)據(jù)送出[6]。數(shù)據(jù)在無線模塊的傳輸路徑如圖2所示。

不難看出，整個數(shù)據(jù)傳輸過程大部分在CC2430的內(nèi)部完成。這得益于CC2430具有極高的集成度，是一款片上系統(tǒng)，能夠提供較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

圖2 數(shù)據(jù)在無線模塊中的傳輸路徑

ZigBee模塊接收到的數(shù)據(jù)幀[7-8]作為網(wǎng)絡(luò)層的負荷，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給目標節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)層幀格式如下所示:

字節(jié)11111變化1

幀類型序列號目標地址源地址數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)負荷檢查和

該幀的第1個字符表示幀類型(frame type):0x00為命令幀;0x01為數(shù)據(jù)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(sequernce number)。第3個字符表示數(shù)據(jù)傳送的目標節(jié)點(destination address)。第4個字符表示數(shù)據(jù)的源節(jié)點(source address)。第5個字符表示數(shù)據(jù)的長度(data length)。后續(xù)是數(shù)據(jù)負荷(data payload)，長度為data length。最后一個字符是校驗和(check sum)，其值根據(jù)下式算得。

CheckSum=FrmTypy^SeqNum^DstAddr^SrcAddr^DataLen^Data[0]^Data[1]^ ...^Data[DataLen-1]

整個數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)層接收到數(shù)據(jù)幀后，檢查該數(shù)據(jù)幀的目標地址與該節(jié)點地址是否相同。若不相同，則說明該數(shù)據(jù)是給異地節(jié)點的，無線模塊將通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給目標節(jié)點;若相同，則根據(jù)接受到的數(shù)據(jù)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(fù)確認幀，同時將數(shù)據(jù)輸出;反之通知發(fā)送方傳輸失敗。

3硬件設(shè)計

前面介紹了系統(tǒng)整體和軟件設(shè)計方面的方案，下面提供一種系統(tǒng)硬件組成的設(shè)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(tǒng)主要由電源、復(fù)位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成。可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，即發(fā)送數(shù)據(jù)時，計算機通過MAX485將RS 485的標準電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，再通過CC2430無線發(fā)送。接收數(shù)據(jù)則是CC2430先接收到數(shù)據(jù)信號，然后經(jīng)MAX 485將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS 485的標準電平，再通過RS-485向上位機輸入數(shù)據(jù)[9]。

由于CC2430具有低功耗的特性，因此選用2節(jié)干電池為模塊供電。另外，還選用了AH805升壓穩(wěn)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(fù)位電路供電[10]。

若將系統(tǒng)用于PC機間的通信時，可以通過引入RS 232-485轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)RS 232標準電平到RS 485標準電平的轉(zhuǎn)換，以兼容PC機RS 232串口。

4 實驗結(jié)果

在最終的系統(tǒng)測試中，主要對系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸速率以及通信距離對數(shù)據(jù)傳輸誤碼率的影響和傳統(tǒng)有線通信做了單項和對比測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 新型串行通信技術(shù)與傳統(tǒng)串行通信技術(shù)比較

新型串行通信技術(shù)傳統(tǒng)串行通信技術(shù)

傳輸距離及速率室內(nèi)10 m，無遮擋物環(huán)境下速率為250 Kb/s;室外空曠環(huán)境30~75 m，速率40 Kb/s;300 m時速率20 Kb/sRS485傳輸距離大大受限于傳輸速率，受布線環(huán)境、地形的影響

施工成本數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸，節(jié)省資源，建設(shè)和維護的成本很低且施工簡單RS 485接口采用屏蔽雙絞線，線材昂貴，組網(wǎng)鋪設(shè)布線成本很高

誤碼率射頻模塊在距離150 m時通信的誤碼率小于1%，ZigBee的誤碼率在信噪比為4 dB的情況下可達10-9RS 485的誤碼率約為10-7，通信質(zhì)量受距離的影響很大

通信范圍理論上通訊距離從標準的75 m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展，支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，組網(wǎng)簡單，方式靈活RS 485推薦使用在點對點網(wǎng)絡(luò)中，線型，總線型，不能是星型，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)，理論最大通信距離為1 219 m

系統(tǒng)能耗射頻模塊在發(fā)射狀態(tài)下耗電為25.6 mA，接收狀態(tài)為28.4 mA，休眠狀態(tài)僅為2.5 μA。待機模式下，2節(jié)5號干電池一般可支持1個節(jié)點工作6～24個月，低功耗。穩(wěn)定電源供電，對供電環(huán)境要求較高

5 結(jié) 語

在此將最新的ZigBee技術(shù)用于CC2430，為RF收發(fā)器實現(xiàn)了無線通信，將其與計算機串口結(jié)合起來，可取代傳統(tǒng)的有線串口通信，并通過實地的系統(tǒng)測試和理論分析，論證了基于ZigBee技術(shù)的無線通信相比于傳統(tǒng)有線通信的優(yōu)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。

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