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利用ARM微处理器和ZigBee模块实现无线串口集线器

1 、小序

跟着21世纪科学技巧的赓续进步,无线与移动通信响应获得了迅猛的成长。方便快捷的无线接入和无线 互连等新观点和新产品,已徐徐融入人们的事情领域和日常生活中。因为如今对无线频率的大年夜量应用,使无线频率资本日渐匮乏,短间隔宽带无线通信技巧受到天下许多国家工业界和钻研机构的广泛关注。伴跟着各类便携式终端通信设备的增添,人们对短间隔的无线与移动通信需求也越来越迫切。无处不在的收集天下,使对各类电器设备推行收集化治理已成为一定趋势。今朝小范围内如以太网中对终端设备的治理,主要应用有线要领。迩来,跟着与无线通信相关的新技巧如雨后春笋般涌现出来,大年夜量、廉价和高度集成的无线模块的遍及,无线联网技巧以其安装资源低、应用方便等特征,在一些不便于或必要打消有线连接的场合有了它的用武之地,正在成为家庭收集和工业自动化领域的首选技巧。

基于ZigBee的无线串口集线器的钻研与设计,将ZigBee连接在ARM微处置惩罚器上,并与远端谋略机经由过程以太网进行连接。这个集线器可根据远程监控和节制利用的需求进行优化、扩展,具有简单、靠得住、低功耗和低资源等上风,实现对各类电器、各类侦测/监控设备的监督、治理、设备操作和远程节制。

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微处置惩罚器、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)和利用法度榜样。硬件部分是全部系统的物理根基,它供给了软件的运行平台和通信接口,软件部分用于节制系统的运行,并对各类事故进行相应。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,经由过程对ZigBee无线通信模块协议的编写,使ARM微处置惩罚器经由过程ZigBee模块实现对各类电器、侦测/监控设备的无线通信和操作。与远端谋略机经由过程以太网相连,组成一个无线收集,如图1所示。该设备在收集中发挥集线器的功能,具有串行通信接口,并有通讯间隔远、抗滋扰能力强、组网机动等优点和特点。采纳点对点型或星形拓扑布局,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,使远端谋略机经由过程此集线器实现对电器设备的远程操控。

3 、集线器硬件设计

3.1 ARM微处置惩罚器设计

本课题选用ARM9系列的S3C2410微处置惩罚器,重在嵌入式ARM板的核心模块的设计,实现法度榜样运行的基础情况,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)电源和电源治理。如图2所示为硬件系统组成图。

电源模块功能:采纳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征。要具有高效率,小封装和低功耗的特征,要得当嵌入式系统的利用。

Flash存储器功能:用来寄放用户编写的启动法度榜样,操作系统内核以及利用法度榜样。

SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)同步动态存储器功能:应用SDRAM不只能前进系统体现,还能简化设计、供给高速的数据传输。在功能上,必要时钟进行刷新。在系统运行时,所有的法度榜样和数据大年夜部分是在SDRAM中与微处置惩罚器和外围设备交互,以是SDRAM的速率对付全部系统的运行速率有着至关紧张的影响。

串行接口功能:ARM微处置惩罚器经由过程串行接口与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,认真数据的无线收发。

JTAG接口功能:进行系统硬件、软件、利用法度榜样的测试

3.2 ZigBee无线通信模块设计

3.2.1ZigBee协议概述

ZigBee是短间隔通信的一种新兴双向无线通信技巧。它具有近间隔、低繁杂度、低功耗、低数据速度、低资源的优点,应用2.4GHz波段。因为采纳较低的数据传输速度、较低的事情频段,ZigBee模块在未投入应用的环境定义为低功耗的休眠状态,模块的整体功耗异常低,是以ZigBee技巧得当于数据流量较小的环境。相对付现有的各类无线通信技巧,如GSM、3G、蓝牙等无线通信技巧,ZigBee更简单、功率及用度也更低,能够更好地适用于自动节制和远程节制领域,更好地满意小型廉价设备的无线联网和节制,支持游戏、破费电子、仪器和家庭自动化利用。

3.2.2ZigBee模块设计

ZigBee无线通信模块在全部集线器设计中也起着举足轻重的感化。ZigBee模块中RF射频收发器采纳射频收发模块采纳UZ2400芯片,微处置惩罚器采纳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。它与用于广播的通俗无线收发器的不合之处在于体积小,功耗低,支持电池供电的设备。它主要进行旌旗灯号的调制与解调、发送和接管等。微处置惩罚器经由过程SPI总线与RF收发器相连,主要用于处置惩罚射频旌旗灯号、节制和和谐各部分器件的事情,经由过程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:

4 、软件设计

4.1 操作系统软件设计

软件主要包括操作系统软件和利用法度榜样两部分。集线器ARM9微处置惩罚器中ARM BIOS软件完成ARM的初始化、SDRAM设置以及嵌入式Linux的加载,着末节制权交给操作系统Linux,此后系统在Linux的治理下运行利用法度榜样。

ARM9微处置惩罚器中,选用嵌入式Linux作为操作系统。与其他嵌入式操作系统比拟,Linux以其易于移植裁减、内核小、效率高、完备及机能优良的收集模块、源代码开放并有浩繁的开拓者等良好的机能,在嵌入式领域获得广泛的认同。以是采纳Linux可使产品研发周期大年夜大年夜缩短。采纳ARM9微处置惩罚器及嵌入式Linux操作系统可开拓出在多媒体及无线通信等方面具有优良机能的无线手持设备。

用嵌入式Linux软件系统进行系统开拓,平日包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。首先建立交叉编译情况。建好交叉编译情况之后,大年夜致还要做以下五方面的事情:

①向导装载法度榜样(BootLoader),能实现系统的快速向导,供给瞬间开机功能。认真将Linux内核加载到内存,并将节制权交给内核初始化法度榜样;

②Linux内核(Kernel)的移植与裁减,Linux内核采纳模块化的组织布局,经由过程增减内核模块的要领来增减系统的功能,精确合理的设置内核的功能模块,只编译系统所需功能的代码,来得到更高的运行速率;

③装载文件系统(File system)嵌入式系统一样平常不具备硬盘等大年夜容量存储体,而用Flash为主存储器,其文件系统也具有特殊性;

④开拓图形用户界面(GUI);

⑤选择上层利用法度榜样(Application)。

此中较为紧张的是对ZigBee无线通信模块协议的编写。根据硬件前提的必要改写ZigBee协议,使系统在最简洁的法度榜样下发挥硬件的最大年夜功能。ZigBee是基于802.15.4标准开拓的关于组网、安然和利用软件方面的技巧标准。ZigBee协议包括高层利用规范(profile)、汇聚层、收集层、数据链路层和物理层。此中数据链路层和物理层标准由IEEE 802.15.4认真拟订,收集层以上由ZigBee同盟拟订。IEEE 802.15.4标准于2003年5月拟订完成,它满意国际标准化组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型,主要包括物理层、数据链路层。IEEE 802.15.4协议与其他无线收集比拟,凸起的优点是:组网能力强,适应面广,靠得住性高,节能性好。

相对付其他常见的无线通信标准,ZigBee协议栈具有紧凑而且简单的特征,而且对情况设置设置设备摆设摆设要求不高。如图4所示:

ZigBee节点加入及离开收集握手协议的设计为:当某一个ZigBee节点要求加入收集时,只要将自己的信道设置成与集线器中ARM微处置惩罚器所应用的信道相同,并供给精确的认证信息,即可哀求加入收集。同理,一个ZigBee节点要脱离收集,只须向ARM微处置惩罚器提出哀求即可。一个节点成功地加入或离开收集,都必须由ARM微处置惩罚器节制。是以,集线器中ARM微处置惩罚器可以实时掌握收集的所有节点信息。

4.2 利用软件设计

利用软件在系统软件Linux的平台长进行开拓。利用软件根据实际必要进行安装,可以广泛利用于工业节制、家庭自动化、医疗照料护士、智能农业、破费类电子和远程节制等领域。安装不合的利用法度榜样实现对各类智能电器、侦测/监控设备的通信和操控。

5、 停止语

本文是使用ARM微处置惩罚器和ZigBee模块组成无线串口集线器,进而组成无线收集。基于ZigBee的串口集线器的利用将是大年夜量的。它可以利用于家庭网、楼宇自动化、车载系统、小型办公室等,具有部署美不雅方便,无须专业职员掩护等优点,对未来社会信息化进程将具有深远的意义。Internet的家庭宽带接入和家庭设备共享将成为主流,串口集线器在家庭中将发挥弗成替代的感化。别的,基于ZigBee的串口集线器在工农业临盆等方面的利用前景也是广阔的,它可以利用于工农业临盆中的自动化、收集化和智能化地进行远程设备节制。

责任编辑:gt

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