利用ARM微处理器和ZigBee模块组成无线串口集线器

1引言

随着21世纪科学技术的不断进步，无线与移动通信相应得到了迅猛的发展。方便快捷的无线接入和无线 互连等新概念和新产品，已逐渐融入人们的工作领域和日常生活中。由于如今对无线频率的大量使用，使无线频率资源日渐匮乏，短距离宽带无线通信技术受到世界许多国家工业界和研究机构的广泛关注。伴随着各种便携式终端通信设备的增加，人们对短距离的无线与移动通信需求也越来越迫切。无处不在的网络世界，使对各种电器设备实行网络化管理已成为必然趋势。目前小范围内如以太网中对终端设备的管理，主要使用有线方式。近来，随着与无线通信相关的新技术如雨后春笋般涌现出来，大量、廉价和高度集成的无线模块的普及，无线联网技术以其安装成本低、使用方便等特点，在一些不便于或需要消除有线连接的场合有了它的用武之地，正在成为家庭网络和工业自动化领域的首选技术。

基于ZigBee^[1]的无线串口集线器的研究与设计，将ZigBee连接在ARM微处理器上，并与远端计算机通过以太网进行连接。这个集线器可根据远程监控和控制应用的需求进行优化、扩展，具有简单、可靠、低功耗和低成本等优势，实现对各种电器、各种侦测/监控设备的监督、管理、设备操作和远程控制。

2无线串口集线器的总体设计

基于ZigBee的无线串口集线器主要由硬件和软件组成，硬件包括电路板、ARM微处理器、存储器、串行接口、并行接口、网口和ZigBee无线通信模块等，软件部分包括操作系统软件（OS）和应用程序。硬件部分是整个系统的物理基础，它提供了软件的运行平台和通信接口，软件部分用于控制系统的运行，并对各种事件进行响应。完成的功能为该设备中操作系统运行正常，外接器件运行正常，通过对ZigBee无线通信模块协议的编写，使ARM微处理器通过ZigBee模块实现对各种电器、侦测/监控设备的无线通信和操作。与远端计算机通过以太网相连，组成一个无线网络，如图1所示。该设备在网络中发挥集线器的功能，具有串行通信接口，并有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性。采用点对点型或星形拓扑结构，可实现一点对一点及一点对多点之间的串口设备的数据的透明传输，使远端计算机通过此集线器实现对电器设备的远程操控。

图1 基于ZigBee的串口集线器的无线网络示意图

3 集线器硬件设计

3.1 ARM微处理器设计

本课题选用ARM9系列的S3C2410微处理器，重在嵌入式ARM板的核心模块的设计，实现程序运行的基本环境，主要由以下几部分组成：（1）存储模块：Flash存储器、SDRAM存储器；（2）对外通信接口模块：包括串行接口、并行接口、网口、JTAG接口、ZigBee无线通信模块；（3）电源和电源管理。如图2所示为硬件系统组成图。

图2 集线器硬件系统组成图

电源模块功能：采用一个低功耗正向电压调节器，要有稳定的输出电流，过流及温度保护的特点。要具有高效率，小封装和低功耗的特点，要适合嵌入式系统的应用。

Flash存储器功能：用来存放用户编写的启动程序，操作系统内核以及应用程序。

SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)同步动态存储器功能：使用SDRAM不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，需要时钟进行刷新。在系统运行时，所有的程序和数据大部分是在SDRAM中与微处理器和外围设备交互，所以SDRAM的速度对于整个系统的运行速度有着至关重要的影响。

串行接口功能：ARM微处理器通过串行接口与ZigBee无线通信模块相连，进行串行通信和数据传输。

ZigBee模块功能：与电器设备无线通信，负责数据的无线收发。

JTAG接口功能：进行系统硬件、软件、应用程序的测试。

3.2 ZigBee无线通信模块设计

3.2.1 ZigBee协议概述

ZigBee是短距离通信的一种新兴双向无线通信技术。它具有近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的优点，使用2.4GHz波段。由于采用较低的数据传输速率、较低的工作频段，ZigBee模块在未投入使用的情况定义为低功耗的休眠状态，模块的整体功耗非常低，因此ZigBee技术适合于数据流量较小的情况。相对于现有的各种无线通信技术，如GSM、3G、蓝牙等无线通信技术，ZigBee更简单、功率及费用也更低，能够更好地适用于自动控制和远程控制领域，更好地满足小型廉价设备的无线联网和控制，支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。

3.2.2 ZigBee模块设计

ZigBee无线通信模块^[2]在整个集线器设计中也起着举足轻重的作用。ZigBee模块中RF（射频）收发器采用射频收发模块采用UZ2400芯片，微处理器采用8051芯片。RF收发器是ZigBee设备的核心，任何ZigBee设备都要有RF收发器。它与用于广播的普通无线收发器的不同之处在于体积小，功耗低，支持电池供电的设备。它主要进行信号的调制与解调、发送和接收等。微处理器通过SPI总线与RF收发器相连，主要用于处理射频信号、控制和协调各部分器件的工作，通过串口与外部设备之间进行通信。ZigBee模块还包括存储器、晶振、天线、串口等器件。如图3所示：