基于無線傳感器網絡節點的串行通信技術

摘 要: ZigBee 技術具有低復雜度, 低功耗、低成本等優勢, 在監測和控制領域具有廣闊的應用前景。分析了ZigBee 網絡的優點, 提出利用以ZigBee 協議為基礎的射頻芯片模塊實現無線串口的設計, 進一步拓展串口的應用范圍。經過實踐驗證, 該設計方法可靠, 操作簡單方便, 功耗小, 成本低, 同時可以實現多機通信, 適合于低速率的數據傳輸, 具有廣闊的應用前景。

　　0 引 言

　　隨著計算機應用的普及, 計算機與計算機、計算機與數據終端間的通信應用日益廣泛, 由于電氣標準相對成熟和完善, 串口通信在其中的應用十分廣泛。但在通信設備距離相對較遠或者有線電纜鋪設不便的情形下,無線串口通信的實現將有利于拓展串口的應用范圍, 同時有效節約資源。當前無線串口通信的實現主要依靠藍牙、紅外、WIFI 等技術, 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 和藍牙系統的建設和使用成本都遠遠高于Zig2Bee 系統, 且ZigBee 具有低功耗、高通信距離等優點,在無線串口的實現中具有明顯的優勢。本系統利用以ZigBee 協議為基礎的射頻芯片CC2430 模塊實現無線串口技術, 利用CC2430 自帶的UART 模式, 向下兼容RS 232協議, 有很強的應用性和推廣性。利用ZigBee網絡架構無線串口在設備數目較多, 拓撲相對復雜, 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, 安全可靠的優點 。

　　1 ZigBee 技術

　　ZigBee 是一種基于IEEE802. 15. 4 標準的短距離、低速率無線網絡技術。該無線連接技術主要解決低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、近距離的設備聯網應用, 主要用于無線傳感器網絡的測量和控制方面。

　　CC2430 芯片是Chipcon 公司推出的用來實現嵌入式ZigBee 應用的片上系統。它支持2. 4G IEEE802. 15. 4/ ZigBee 協議。根據芯片內置閃存的不同容量, 提供給用戶3 個版本, 即CC24302F32/ 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/ 數轉換器、定時器、看門狗、ASE 協處理器、FLASH 控制器、DMA 控制器、復位電路、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USART 0 和USART 1。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 種線路構成可供選擇。一種是只包含RXT, TXD 的雙線構成; 另一種是比雙線構成多包含了RT S 和CTS 的4 線構成。

　　UART 模式具有以下特點:

　　具有8 或者9 位數據位; 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; 可配置低有效位優先傳送或者高有效位優先傳送; 獨立的接受和發送中斷; 獨立的接受和發送DMA 觸發; 奇偶校驗和幀校驗錯誤狀態; 提供全雙工異步傳輸, 接收器中的位同步不影響發送功能。

　　2 系統構成

　　ZigBee 標準是基于802. 15. 4 協議棧而建立的,ZigBee 網絡支持星狀( star ) 、樹狀( cluster tr ee) 和網狀(mesh) 3 種拓撲結構, 具有可靠性高, 組網簡單靈活, 網絡容量大, 自組織和自愈能力強, 通信可靠的優勢。如圖1 所示, 在設備分布數目多, 分布范圍廣, 拓撲結構復雜時, 架設在ZigBee 網絡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, 而擴大串口的應用范圍。

圖1 無線串口的應用