基于ZigBee Mesh网络的无线串口设计

摘要：利用ZigBee技术，组成具有可“自愈”能力的Mesh网络，实现无线串口通信。ZigBee技术的Mesh网络，单个模块的传输距离在10～100 m之间，加功放在1 km以上。传输速率为250 kb·s-1，完全能满足一般用户的要求。
关键词：ZigBee技术；Mesh网络；“自愈”能力；无线串口

    RS-232串行通信是异步通信中应用最广的标准总线，在没有Modem的情况下，一般传输距离限制在15 m内，使得远距离串口通信受到较大限制。无线技术是当今设备通信中取代有线技术的必然趋势。
    本文利用ZigBee无线技术组成Mesh网络实施串口通信，网络中任意两个模块的传输距离可达100 m，如果模块有功放，传输距离可上升至1．5 km。因为Mesh网络的多跳性，数据能够多跳传输，所以数据的传输距离取决于跳数的多少，如图1所示S4经过3跳把数据传送到S1，如果每一跳距离是1 km，则传输距离达3 km，这有效地解决了有线串口传送的距离限制问题。同时，ZigBee网络中最大的数传速率为250 kb·s-1，完全能满足一般用户的要求。

1 ZigBee无线串口设计原理
1．1 节点入网后的初始化
    根据ZigBee技术的要求，ZigBee网络中存在3种角色，协调器、路由和终端设备，协调器负责建立网络，路由器负责路由，终端设备只能收发数据。协调器和路由统称为全功能设备(FFD)。
    在此，所有的设备都统称为节点(node)，只是所扮演的角色不一样，每个节点都人为地在程序里给它们取名，如：01、02、03表示节点1、节点2、节点3，00保留给协调器。
    协调器(00)加电后组建网络，各节点自动发现并加入网络，根据本文的设计，节点在加入网络后都会自动地向网络中的其他节点广播其16位网络地址和名字，网络中的其他节点接收到这广播数据后将该数据储存在数组NodeAddress[]中，然后以单播的方式向新加入节点反馈自己的网络地址和名字，新节点也将该数据保存在数组NodeAddress[]中，从而保证网络中的每个节点都知道其他节点的网络地址和名字。具体流程如图2所示。

1．2 串口数据的格式
    当节点串口有数据要发送的时候，必须要指明，数据的发送目的地，所以从串口输入的数据必须满足一定的格式，本设计规定该格式为：××……；××为要发送的目的节点名字，……为要发送的数据。譬如向节点01发送数据“ZigBee”，格式为：01 ZigBee。因为节点在加入网络的时候，已经建立了名字和网络地址的对应表，所以发送节点会自动将01解释为网络地址0x0023，从而将数据准确地发送到节点01上。

2 无线串口硬件设计
2．1 系统框图

    串口接收、发送系统可以是PC或者其他嵌入式系统，ZigBee控制系统负责组网和接收发送数据。这里主要研究ZigBee控制系统。
2．2 芯片选择
    选择TI公司的2．4 GHz片上系统解决方案CC2530。CC2530是用于IEEES02．15．4、ZigBee和RF4CE应用的一个片上系统解决方案。它能以较低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，使操作更容易，具备不同的运行模式，尤其适应超低功耗要求的系统。
2．3 无线串口电路设计
    CC2530中的P0_1和P0_2为TTL电平的串口接收发送管脚，可直接与TTL电平的串口系统相连，如果与PC机连，要加上MAX232模块。可见该无线串口与其他系统的兼容性很强，而且连接方便。

3 软件设计
3．1 ZigBee协议栈简介
    ZigBee协议栈以IEEE 802．15．4标准为基础，IEEES02．15．4工作组主要负责制定物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中，应用层的框架包括了应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)及由制造商制定的应用对象。如图5所示。

    采用TI公司的Z—Stack 07协议栈实现ZigBee协议。Z—Stack 07协议栈，对之前几个版本的协议进行了改进，使得网络稳定性更强，组网更灵活。
3．2 主体程序流程与任务
    TI的Z—Stack 07／PRO协议栈，对应的开发环境为IAR 7．51A。在安装完Z—Stack 07协议栈之后，用IAR打开工程文件GenericApp，GenericApp是TI公司专门为开发者提供的开发模板，在此借助该模板实现无线串口。
    打开GenericApp后，如图6所示，App文件夹即为应用层代码文件夹。利用模板只需在GenericApp．c中加入实现代码，就可以实现无线串口。

    Z—Stack采用操作系统的思想来构建，采用任务轮循机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当任务有事件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理任务事件，结束后继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断优先级，逐次处理事件。Z—Stack的工作流程如图7所示。

3．3 无线串口程序流程
    因为Z—Stack是采用任务轮循机制，GenericApp是属于其中的一个任务，在文件GenericApp．c中的任务初始化函数GenericApp_Init()中添加串口初始化代码，在GenericApp_ProcessEven()函数中添加无线串口收发事件Serial_RecEven和Serial_TranEven的处理函数。图8和图9是GenericApp_Init()函数流程图和GenericApp_ProcessEven()函数流程图。

    图中初始化NV Flash是用以储存其他节点网络地址名字对应表。
    当节点上电加入ZigBee网络后，便会执行GenericApp_Init()函数，初始化串口，并向网络中的其他节点以广播的方式发送其网络地址和名字。
    当网络中的其他节点接收到数据时，便会触发接收数据事件，GenericApp_ProcessEven()函数判断是串口接收数据命令还是储存网络地址命令，如果是前者，便将数据写到串口；如果是后者则先判断是否来自于广播方式发送来的数据：若是则储存该网络地址和名字，并且以单播的方式回馈本节点的网络地址，保证网络中的各个节点都知道其他节点的地址和名字；若不是就储存该网络地址和名字，不用反馈本节点的网络地址和名字。
    当GenericApp_ProcessEven()函数检测到Serial_TranEven事件发生时，便读串口并将数据按照约定的格式发送出去。

4 实际测试
4．1 测试1
    无功放ZigBee模块W00与W02，如图10～图12所示。

    实验环境：足球场，可视距离100 m。实验结果如图12所示。
    Node：02 ShortAddress：0x3595是W02加入网络后自动向W00发送网络地址和名字。因为W00是协调器，默认地址为0x00，已预存在各模块中。
4．2 测试2
    无功放ZigBee模块W00，W02，W03和W04，实验环境：各大楼之间。如图13所示。

    W00与W02、W03能直接通信，W00经过两跳后可与W04，通信，W02经过两跳后可以与W04通信。实验结果截图如14所示。

    Node：04 ShortAddress：0xE805是W04入网后向W02发送的网络地址和名字，Node：02 ShortAddress：0x3595是W02节点回馈的网络地址和名字。由实验可知，基于ZigBee的无线串口通信，数据传输稳定、可靠，有效解决长距离串口通信问题。

5 Mesh网络无线串口的特点
    (1)能够远距离串口通信。通信距离取决于单个节点的有效传输距离和跳数，一般无功放模块传输距离为100 m，经过5跳可以传输500 m的距离。如果加上功放，单个节点的传输距离为1．5 km，5跳为7．5 km。缺点是加上功放，成本增加。
    (2)Mesh网络具有自愈能力，当某条路径被切断，节点会自动寻找另外的路径传输数据，如图15所示。

    (3)兼容性好，易安装。简单的串口线连接。由图4可知，从模块中引出4根TTL电平的串口线，直接可以与嵌入式系统连接，或者加上MAX232便可以与PC连接。

6 结束语
    利用ZigBee无线技术组成Mesh网络实施串口通信，无线通信距离取决于单跳距离和跳数，而默认最大跳数为20，但多跳的出现会导致数据延时，出现误码。建议跳数控制在5跳之内，此时数据传输稳定、时延短、误码率低，能有效地解决有线串口距离限制的问题。