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。

3.2.2 ZigBee模塊設計

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。