利用ARM微處理器和ZigBee模塊組成無線串口集線器

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展。方便快捷的無線接入和無線 互連等新概念和新產品，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界和研究機構的廣泛關注。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。無處不在的網絡世界，使對各種電器設備實行網絡化管理已成為必然趨勢。目前小范圍內如以太網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出來，大量、廉價和高度集成的無線模塊的普及，無線聯網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，正在成為家庭網絡和工業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進行連接。這個集線器可根據遠程監控和控制應用的需求進行優化、擴展，具有簡單、可靠、低功耗和低成本等優勢，實現對各種電器、各種偵測/監控設備的監督、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、網口和ZigBee無線通信模塊等，軟件部分包括操作系統軟件（OS）和應用程序。硬件部分是整個系統的物理基礎，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運行正常，外接器件運行正常，通過對ZigBee無線通信模塊協議的編寫，使ARM微處理器通過ZigBee模塊實現對各種電器、偵測/監控設備的無線通信和操作。與遠端計算機通過以太網相連，組成一個無線網絡，如圖1所示。該設備在網絡中發揮集線器的功能，具有串行通信接口，并有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網靈活等優點和特性。采用點對點型或星形拓撲結構，可實現一點對一點及一點對多點之間的串口設備的數據的透明傳輸，使遠端計算機通過此集線器實現對電器設備的遠程操控。

圖1 基于ZigBee的串口集線器的無線網絡示意圖

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，實現程序運行的基本環境，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所示為硬件系統組成圖。

圖2 集線器硬件系統組成圖

電源模塊功能：采用一個低功耗正向電壓調節器，要有穩定的輸出電流，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，操作系統內核以及應用程序。

SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)同步動態存儲器功能：使用SDRAM不但能提高系統表現，還能簡化設計、提供高速的數據傳輸。在功能上，需要時鐘進行刷新。在系統運行時，所有的程序和數據大部分是在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，進行串行通信和數據傳輸。

ZigBee模塊功能：與電器設備無線通信，負責數據的無線收發。

JTAG接口功能：進行系統硬件、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、低數據速率、低成本的優點，使用2.4GHz波段。由于采用較低的數據傳輸速率、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，模塊的整體功耗非常低，因此ZigBee技術適合于數據流量較小的情況。相對于現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網和控制，支持游戲、消費電子、儀器和家庭自動化應用。