1 引言

隨著21世紀科學技術的不斷進步，無線與移動通信相應得到了迅猛的發(fā)展。方便快捷的無線接入和無線 互連等新概念和新產(chǎn)品，已逐漸融入人們的工作領域和日常生活中。由于如今對無線頻率的大量使用，使無線頻率資源日漸匱乏，短距離寬帶無線通信技術受到世界許多國家工業(yè)界和研究機構(gòu)的廣泛關注。伴隨著各種便攜式終端通信設備的增加，人們對短距離的無線與移動通信需求也越來越迫切。無處不在的網(wǎng)絡世界，使對各種電器設備實行網(wǎng)絡化管理已成為必然趨勢。目前小范圍內(nèi)如以太網(wǎng)中對終端設備的管理，主要使用有線方式。近來，隨著與無線通信相關的新技術如雨后春筍般涌現(xiàn)出來，大量、廉價和高度集成的無線模塊的普及，無線聯(lián)網(wǎng)技術以其安裝成本低、使用方便等特點，在一些不便于或需要消除有線連接的場合有了它的用武之地，正在成為家庭網(wǎng)絡和工業(yè)自動化領域的首選技術。

基于ZigBee^[1]的無線串口集線器的研究與設計，將ZigBee連接在ARM微處理器上，并與遠端計算機通過以太網(wǎng)進行連接。這個集線器可根據(jù)遠程監(jiān)控和控制應用的需求進行優(yōu)化、擴展，具有簡單、可靠、低功耗和低成本等優(yōu)勢，實現(xiàn)對各種電器、各種偵測/監(jiān)控設備的監(jiān)督、管理、設備操作和遠程控制。

2 無線串口集線器的總體設計

基于ZigBee的無線串口集線器主要由硬件和軟件組成，硬件包括電路板、ARM微處理器、存儲器、串行接口、并行接口、網(wǎng)口和ZigBee無線通信模塊等，軟件部分包括操作系統(tǒng)軟件（OS）和應用程序。硬件部分是整個系統(tǒng)的物理基礎，它提供了軟件的運行平臺和通信接口，軟件部分用于控制系統(tǒng)的運行，并對各種事件進行響應。完成的功能為該設備中操作系統(tǒng)運行正常，外接器件運行正常，通過對ZigBee無線通信模塊協(xié)議的編寫，使ARM微處理器通過ZigBee模塊實現(xiàn)對各種電器、偵測/監(jiān)控設備的無線通信和操作。與遠端計算機通過以太網(wǎng)相連，組成一個無線網(wǎng)絡，如圖1所示。該設備在網(wǎng)絡中發(fā)揮集線器的功能，具有串行通信接口，并有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性。采用點對點型或星形拓撲結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)一點對一點及一點對多點之間的串口設備的數(shù)據(jù)的透明傳輸，使遠端計算機通過此集線器實現(xiàn)對電器設備的遠程操控。

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圖1 基于ZigBee的串口集線器的無線網(wǎng)絡示意圖

3 集線器硬件設計

3.1 ARM微處理器設計

本課題選用ARM9系列的S3C2410微處理器，重在嵌入式ARM板的核心模塊的設計，實現(xiàn)程序運行的基本環(huán)境，主要由以下幾部分組成：（1）存儲模塊：Flash存儲器、SDRAM存儲器；（2）對外通信接口模塊：包括串行接口、并行接口、網(wǎng)口、JTAG接口、ZigBee無線通信模塊；（3）電源和電源管理。如圖2所示為硬件系統(tǒng)組成圖。

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   圖2 集線器硬件系統(tǒng)組成圖

電源模塊功能：采用一個低功耗正向電壓調(diào)節(jié)器，要有穩(wěn)定的輸出電流，過流及溫度保護的特點。要具有高效率，小封裝和低功耗的特點，要適合嵌入式系統(tǒng)的應用。

Flash存儲器功能：用來存放用戶編寫的啟動程序，操作系統(tǒng)內(nèi)核以及應用程序。

SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)同步動態(tài)存儲器功能：使用SDRAM不但能提高系統(tǒng)表現(xiàn)，還能簡化設計、提供高速的數(shù)據(jù)傳輸。在功能上，需要時鐘進行刷新。在系統(tǒng)運行時，所有的程序和數(shù)據(jù)大部分是在SDRAM中與微處理器和外圍設備交互，所以SDRAM的速度對于整個系統(tǒng)的運行速度有著至關重要的影響。

串行接口功能：ARM微處理器通過串行接口與ZigBee無線通信模塊相連，進行串行通信和數(shù)據(jù)傳輸。

ZigBee模塊功能：與電器設備無線通信，負責數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。

JTAG接口功能：進行系統(tǒng)硬件、軟件、應用程序的測試。

3.2 ZigBee無線通信模塊設計

3.2.1 ZigBee協(xié)議概述

ZigBee是短距離通信的一種新興雙向無線通信技術。它具有近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的優(yōu)點，使用2.4GHz波段。由于采用較低的數(shù)據(jù)傳輸速率、較低的工作頻段，ZigBee模塊在未投入使用的情況定義為低功耗的休眠狀態(tài)，模塊的整體功耗非常低，因此ZigBee技術適合于數(shù)據(jù)流量較小的情況。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術，如GSM、3G、藍牙等無線通信技術，ZigBee更簡單、功率及費用也更低，能夠更好地適用于自動控制和遠程控制領域，更好地滿足小型廉價設備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制，支持游戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。

[!--empirenews.page--]3.2.2 ZigBee模塊設計

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(diào)制與解調(diào)、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(diào)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：

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圖3 ZigBee無線通信模塊結(jié)構(gòu)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(nèi)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(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅(qū)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(nèi)核加載到內(nèi)存，并將控制權交給內(nèi)核初始化程序；②Linux內(nèi)核(Kernel)的移植與裁減，Linux內(nèi)核采用模塊化的組織結(jié)構(gòu)，通過增減內(nèi)核模塊的方式來增減系統(tǒng)的功能，正確合理的設置內(nèi)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：

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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(nóng)業(yè)、消費類電子和遠程控制等領域。安裝不同的應用程序?qū)崿F(xiàn)對各種智能電器、偵測/監(jiān)控設備的通信和操控。

5 結(jié)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。基于ZigBee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(nóng)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(nóng)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。