基于Modbus協議的ZigBee/工業以太網網關設計

1 引言

工業無線通信技術是繼現場總線、工業以太網之后，工業自動化領域又一個研究熱點。 實際上，無論是場總線還是工業以太網，都已經形成了多標準并存的局面，在協議轉換、異 構網絡接入過程中，網關起著重要作用。工業無線通信技術要應用于工控領域，也面臨諸如 開放性、互操作等技術。

ZigBee 因其低成本、低功耗、組網靈活等眾多優勢，成為工業無線通信技術中備受關 注的技術之一。ZigBee 是一種低速網絡，傳輸速度為10KB/S～250KB/S，其在工業自動化 應用中，一般要接入上層網絡。本文介紹一種ZIGBEE/工業以太網網關設計，實現ZIGBEE 與工業以太網的一種接入，設計中ZigBee 和工業以太網應用層都采用自動化儀表廣泛支持 的Modbus/RTU 協議。

2 網關硬件體系結構

網關硬件體系結構如圖 1 所示。系統以Rabbit3000 MPU 為核心，擴展了以太網接口、 ZigBee 無線通信接口和基本的FLASH、RAM 及電源電路。圖中SST39LF040 為512KFLASH， AS7C4096 為512K SRAM，與Rabbit3000 的地址線（A0～A18）、數據線（D0～D7）、片選 線（CS0～CS2）、讀寫線（OE0、OE1、WE0、WE1）直接無譯碼相連。AX88796L 為以太 網接口控制芯片，10M/100M 兼容，3.3V 供電。AX88796L 的TPOP、TPON、TPIP、TPIN 接RJ45 連接器LF1S022。

圖1 ZIGBEE/工業以太網網關體系結構

SZ05-ZBEE 是上海順舟公司的無線通信模塊，模塊將Freescale的MC13213及外圍電路 布置在2.75×4.8cm的PCB板上，提供標準2.54 雙排插針接口，包含電源接口、數據接口、 控制接口和系統指示燈接口和天線接口等，采用IEEE802.15.4/ZIGBEE 標準地址尋址，支持 星型、樹型、鏈型、網狀網等拓撲結構。SZ05-ZBEE通過RX1、TX1（串行通信接口）直接與 Rabbit3000的PC6、PC7（串行通信口A）連接。

3 網關軟件設計

網關的主要功能是實現Zigbee與以太網之間的數據傳輸。SZ05-ZBEE無線通信模塊集成 了符合ZigBee協議標準的射頻收發器和微處理器，初始化設置后，模塊即可以實現透明串口 傳輸。為適應短幀實時和確定性通信發展趨勢，以太網通信采用UDP/IP協議，應用層采用 Modbus/RTU主從式協議。類似于Modbus/TCP協議，也可以稱以太網側協議為Modbus/UDP 協議[3]。網關軟件基于Dynamic C和μC/OS-Ⅱ實時操作系統設計。

3.1 網關轉發報文的總體設計

Modbus 標準中規定了完整的消息、數據結構、命令和應答方式，但只是OSI 模型第7 層上的應用層報文傳輸協議，定義的是一種以數據幀形式表示的能使設備相互識別和使用的 消息結構。因此，可以不對數據包作任何修改，將Modbus/RTU 報文作為應用層數據在不 同網絡之間傳輸。

網關中即是將 Modbus/RTU 報文作為UDP 和ZigBee 應用層數據傳輸。主站報文通過 UDP 端口接收，去掉幀頭幀尾，附加Zigbee 短地址，通過串口發給SZ05-ZBEE，轉化為 ZigBee 報文發送；從站的ZigBee 報文由SZ05-ZBEE 轉為串口數據接收，去掉ZigBee 短地 址，附加UDP 幀頭幀尾，然后由以太網口轉發。具體程序包括5 個任務：UDP 接收、串口 發送、串口接收、UDP 發送以及嵌入式Web Server。嵌入式Web Server 用于設備管理。系統程序結構如圖2 所示。

圖2 系統程序結構