利用ARM微處理器和ZigBee模塊組成無線串口集線器

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）收發器采用射頻收發模塊采用UZ2400芯片，微處理器采用8051芯片。RF收發器是ZigBee設備的核心，任何ZigBee設備都要有RF收發器。它與用于廣播的普通無線收發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制與解調、發送和接收等。微處理器通過SPI總線與RF收發器相連，主要用于處理射頻信號、控制和協調各部分器件的工作，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：

圖3 ZigBee無線通信模塊結構圖

4 軟件設計

4.1 操作系統軟件設計

軟件主要包括操作系統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Linux，此后系統在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。與其他嵌入式操作系統相比，Linux以其易于移植裁減、內核小、效率高、完整及性能優異的網絡模塊、源代碼開放并有眾多的開發者等優越的性能，在嵌入式領域得到廣泛的認同。所以采用Linux可使產品研發周期大大縮短。采用ARM9微處理器及嵌入式Linux操作系統可開發出在多媒體及無線通信等方面具有優異性能的無線手持設備。

用嵌入式Linux軟件系統進行系統開發，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統內核、設備驅動接口、通信協議、圖形界面等。首先建立交叉編譯環境。建好交叉編譯環境之后，大致還要做以下五方面的工作：①引導裝載程序(BootLoader)，能實現系統的快速引導，提供瞬間開機功能。負責將Linux內核加載到內存，并將控制權交給內核初始化程序；②Linux內核(Kernel)的移植與裁減，Linux內核采用模塊化的組織結構，通過增減內核模塊的方式來增減系統的功能，正確合理的設置內核的功能模塊，只編譯系統所需功能的代碼，來獲得更高的運行速度；③裝載文件系統(File system)嵌入式系統一般不具備硬盤等大容量存儲體，而用Flash為主存儲器，其文件系統也具有特殊性；④開發圖形用戶界面(GUI)；⑤選擇上層應用程序(Application)。

其中較為重要的是對ZigBee無線通信模塊協議的編寫。根據硬件條件的需要改寫ZigBee協議^[6]，使系統在最簡潔的程序下發揮硬件的最大功能。ZigBee是基于802.15.4標準開發的關于組網、安全和應用軟件方面的技術標準。ZigBee協議包括高層應用規范(profile)、匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層。其中數據鏈路層和物理層標準由IEEE 802.15.4負責制定，網絡層以上由ZigBee聯盟制定。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)開放系統互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數據鏈路層。IEEE 802.15.4協議與其他無線網絡相比，突出的優點是：組網能力強，適應面廣，可靠性高，節能性好。

相對于其他常見的無線通信標準，ZigBee協議棧具有緊湊而且簡單的特點，而且對環境配置要求不高。如圖4所示：

圖4 ZigBee的協議棧模型

ZigBee節點加入及脫離網絡握手協議的設計為：當某一個ZigBee節點要求加入網絡時，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，即可請求加入網絡。同理，一個ZigBee節點要離開網絡，只須向ARM微處理器提出請求即可。一個節點成功地加入或脫離網絡，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絡的所有節點信息。

4.2 應用軟件設計

應用軟件在系統軟件Linux的平臺上進行開發。應用軟件根據實際需要進行安裝，可以廣泛應用于工業控制、家庭自動化、醫療護理、智能農業、消費類電子和遠程控制等領域。安裝不同的應用程序實現對各種智能電器、偵測/監控設備的通信和操控。

5 結束語

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、樓宇自動化、車載系統、小型辦公室等，具有布置美觀方便，無須專業人員維護等優點，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揮不可替代的作用。另外，基于ZigBee的串口集線器在工農業生產等方面的應用前景也是廣闊的，它可以應用于工農業生產中的自動化、網絡化和智能化地進行遠程設備控制。