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【摘要】针对大型工厂空间大、结构复杂、布线难的特点，充分利用ZigBee无线网络的优势，与传统串口通信相结合，实现了低速设备之间串口通信的无线化。开发者使用此设计方案，可以直接无视中间繁琐的无线网络通信过程，而将其视为一个无形的无线串口总线，直接当做普通的串口使用。大大简化了不同低速设备之间通信模块的设计难度，同时缩短其开发周期。从而实现了低成本、低功耗、操作简单方便的工厂无人监控设计方案。
【关键词】监控;ZigBee;无线;串口通信
Design of wireless serial interface based on factory monitoring
School of Mechanical and Electric Engineering Zhen Yi-cheng
Laboratory Center of Guangzhou University Wu Feng-jie
Abstract：For large plants space，complex structure，the characteristics of hard wiring，take full advantage of ZigBee wireless network，combined with traditional serial port to communicate with the wireless technology to achieve a low-speed serial communication between devices.Developers use this design，can ignore the middle cumbersome wireless network communication process，and treats it as an invisible wireless serial bus，directly as a normal serial port to use.Greatly simplifies the design of low-speed device communication difficulty between different modules，while reducing their development cycle.In order to achieve a low cost，low power consumption，easy to operate unattended plant design.
Key words：monitoring;ZigBee;wireless;serial communications
1.引言
由于传统的工业控制网络一般利用有线传输技术来实现，其存在布线复杂、运行不可靠、难于扩展、安装不方便等缺点[1]。随着测量技术、网络通信技术、计算机技术的快速发展，无线传输技术逐渐成为有线传输技术的有效扩展和补充方式，甚至在一些应用场合逐渐取代有线传输技术[2]。无线传输技术以组网灵活、扩展性强且安装方便等优势，应用于各种控制现场，其应用前景十分广阔。[1]
2.总体方案设计
在工厂监控现场，各个适当的位置放置传感检测设备，各监测点分别采集数据，并以串口的方式将采样数据发送至ZigBee设备。以ZigBee技术作为媒介为串口通信提供服务，使串口通信无线化成为可能。ZigBee以自组网的方式，在自网域内将数据以点播的方式经路由节点发送至上位机端的ZigBee，再由该ZigBee以串口的方式将数据发送至上位机。各采集数据由上位机汇总、处理后，从原路径将反馈数据以及相关的控制调整信号经由ZigBee的无线网络发送至指定的节点。其中充分利用ZigBee技术成本低、功耗低、组网简单、自身官方协议栈成熟、可靠以及串口通信成本低、技术成熟、开发简单等特点，构成一个无线网监测控制系统，实时掌控工厂的情况，完成由上位机对工厂环境的实时监测及控制。整个过程中，ZigBee之间的无线通信可以对上层的串口通信视作透明，整个网域內的所有节点可以视为同时连接在一个无形的串口总线上。开发者只需考虑设计各设备串口之间数据包的协议格式，然后将数据发送到串口总线上，由接收端的ZigBee根据数据包内容选择接收或是放弃数据包，使接收端的串口有选择的接收有关数据，结构图如图1所示。
图1 无线串口总线结构图
3.无线串口硬件设计
ZigBee之间以无线通信的方式，以协调器为中心网关，范围内的所有ZigBee设备自动组网。传感器、上位机与ZigBee模块之间的连接，则用真正的串口电路通信方式连接，在设计时，只需将单片机或其他类型的处理机经由自带的串口外设或者串口转换芯片的TX，RX对应交叉连接到ZigBee的RX，TX并且共地线即可[3]，之后用户只需像使用普通的串口一样，在串口端发送、接收数据而无需了解数据是如何通过ZigBee之间无线传输的，如图2所示。[2]
图2 设备连接结构框图
为了适应工厂控制现场空间复杂、监测点数量庞大，本系统选用基于美国Ti公司CC2530芯片的ZigBee SOC解决方案。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能，且具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[4]，其芯片外围电路图如图3所示。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗，适用于传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，满足了工厂低成本，低复杂度、低功耗、容错率高，自我修复能力强等的要求。[3] 图3 ZigBee芯片外围电路图
4.无线串口协议设计
由于串口通信属于半双工形式，通过窗口发送数据相对简单，时间上可以随意控制。但正因为串口数据流的这种特性，使得数据接收时常常容易造成数据不流畅均匀、存在空白间隔[5]。且由于串口接线结构简单，在工厂等特殊环境下易受到外界信道干扰而造成误码，给数据的接收造成一定的困难。因此要求设备之间的串口通信存在一定规范的协议以控制数据的传输，以及对于数据正确性的校验，本设计制定的通信协议如表1所示。[4]
表1 无线串口通信协议格式
协议包括：（长度：字节）
长度 1 1 10 1 1 X 1 1
内容 起始
标识 传输
类型 目标
地址 命令字 数据
长度 数据
内容 校验位 结束
标识
（1）协议说明如下
数据起始标识：0x5A（唯一，数据中不重复出现）
数据传输类型：0x00：点播，0x01组播，0x03广播
目标传输地址：网内设备编号（协调器为0x00），设备MAC
命令字：0x00控制命令;0x01普通数据
数据长度：数据内容的字节长度
数据内容（工厂温度、湿度、火警、烟雾、可燃气体浓度等）
校验位：累加和校验（除起始标识、结束标识以外所有数据的累加和除0x100的余数）
结束位标识：0xA5
注：数据中，0x5A以0x5B，0xFF代替;0x5B以0x5B，0x00代替;0xA5以0xA6，0xFF代替;0xA6以0xA6，0x00代替。
（2）无线串口通信例子
无线串口通信数据传输如图4所示。
图4 无线通信数据传输
从图4中可知，传输的数据5A00000000124B678EC401051D90220001ECA5可分解为：
5A 00 0000 00124B678EC4 01 05 1D 90 22 00 01 EC A5，各个数据位代表的含义具体说明如下：
数据起始标识：0x5A
数据传输类型：0x00：点播，0x01组播，0x03广播
目标传输地址：
网内设备编号0x00（目标为协调器），
MAC地址：00：12：4B：67：8E：C4
命令字：0x01普通数据
数据长度：0x05
数据内容：
温度：1d.90 （十六进制）→35.56℃
湿度：22 （十六进制）→34%
可燃气体：00 →未超出预设阀值
红外人体感应：01→监测范围内有人
校验位：00+00+00 00+12+4B+67+8E+C4+ 01+05+1D+90+22+00+01+EC=0x02EC
0x02EC MOD 0X0100=0xEC
结束位标识 0xA5
该数据包将温度35.56℃，湿度34%，可燃气体未超值，有人活动等工厂的关键环境信息，且附带正确的校验值（0xEC）以点播的形式发送至协调器节点。
5.结论
串口通信拥有程序编写简单、硬件接口简单、技术成熟、硬件成本低廉等优点。结合ZigBee无线网络构建方便、功耗低、成本低廉的特点，很好的解决了工厂面积大、空間复杂、布线困难的问题。串口与ZigBee技术的结合提供了一套完善的工厂监测解决方案，实现对工厂温度、湿度、气压、危险气体等环境参数的检测，从而实现了对现代化工厂实时、准确、可靠的自动化管理，为新型物联网技术提供新的技术支持。
参考文献
[1]关新平，闫文凯，袁亚洲，刘志新.基于zigBee自动抄表的无磁热量表的设
计与实现[J].自动化仪表，2012，33（7）.
[2]王萍，陈长青，龚睿等.基于nRF905的无线串口通信系统[J].微计算机信息，2007，24（32）.
[3]朱向庆，陈志雄，洪晖.基于ZigBee协议带AT命令的无线串口设计[J].低压电器，2009（10）.
[4]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程.2011（8）.
[5]马玉春，宋瀚涛.串行通信协议的研究及应用[J].计算机应用研究，2004，21（4）.
基金项目：韶关市科技计划项目（2012CXY/C13）资助。
作者简介：
甄毅程（1991—），男，广东珠海人，大学本科，现就读于广州大学机械与电气工程学院电子信息工程专业。
伍冯洁（1979—），女，广东阳江人，硕士，高级实验师，从事计算机测控技术的实验教学。
【关键词】监控;ZigBee;无线;串口通信
Design of wireless serial interface based on factory monitoring
School of Mechanical and Electric Engineering Zhen Yi-cheng
Laboratory Center of Guangzhou University Wu Feng-jie
Abstract：For large plants space，complex structure，the characteristics of hard wiring，take full advantage of ZigBee wireless network，combined with traditional serial port to communicate with the wireless technology to achieve a low-speed serial communication between devices.Developers use this design，can ignore the middle cumbersome wireless network communication process，and treats it as an invisible wireless serial bus，directly as a normal serial port to use.Greatly simplifies the design of low-speed device communication difficulty between different modules，while reducing their development cycle.In order to achieve a low cost，low power consumption，easy to operate unattended plant design.
Key words：monitoring;ZigBee;wireless;serial communications
1.引言
由于传统的工业控制网络一般利用有线传输技术来实现，其存在布线复杂、运行不可靠、难于扩展、安装不方便等缺点[1]。随着测量技术、网络通信技术、计算机技术的快速发展，无线传输技术逐渐成为有线传输技术的有效扩展和补充方式，甚至在一些应用场合逐渐取代有线传输技术[2]。无线传输技术以组网灵活、扩展性强且安装方便等优势，应用于各种控制现场，其应用前景十分广阔。[1]
2.总体方案设计
在工厂监控现场，各个适当的位置放置传感检测设备，各监测点分别采集数据，并以串口的方式将采样数据发送至ZigBee设备。以ZigBee技术作为媒介为串口通信提供服务，使串口通信无线化成为可能。ZigBee以自组网的方式，在自网域内将数据以点播的方式经路由节点发送至上位机端的ZigBee，再由该ZigBee以串口的方式将数据发送至上位机。各采集数据由上位机汇总、处理后，从原路径将反馈数据以及相关的控制调整信号经由ZigBee的无线网络发送至指定的节点。其中充分利用ZigBee技术成本低、功耗低、组网简单、自身官方协议栈成熟、可靠以及串口通信成本低、技术成熟、开发简单等特点，构成一个无线网监测控制系统，实时掌控工厂的情况，完成由上位机对工厂环境的实时监测及控制。整个过程中，ZigBee之间的无线通信可以对上层的串口通信视作透明，整个网域內的所有节点可以视为同时连接在一个无形的串口总线上。开发者只需考虑设计各设备串口之间数据包的协议格式，然后将数据发送到串口总线上，由接收端的ZigBee根据数据包内容选择接收或是放弃数据包，使接收端的串口有选择的接收有关数据，结构图如图1所示。
图1 无线串口总线结构图
3.无线串口硬件设计
ZigBee之间以无线通信的方式，以协调器为中心网关，范围内的所有ZigBee设备自动组网。传感器、上位机与ZigBee模块之间的连接，则用真正的串口电路通信方式连接，在设计时，只需将单片机或其他类型的处理机经由自带的串口外设或者串口转换芯片的TX，RX对应交叉连接到ZigBee的RX，TX并且共地线即可[3]，之后用户只需像使用普通的串口一样，在串口端发送、接收数据而无需了解数据是如何通过ZigBee之间无线传输的，如图2所示。[2]
图2 设备连接结构框图
为了适应工厂控制现场空间复杂、监测点数量庞大，本系统选用基于美国Ti公司CC2530芯片的ZigBee SOC解决方案。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能，且具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[4]，其芯片外围电路图如图3所示。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗，适用于传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用，满足了工厂低成本，低复杂度、低功耗、容错率高，自我修复能力强等的要求。[3] 图3 ZigBee芯片外围电路图
4.无线串口协议设计
由于串口通信属于半双工形式，通过窗口发送数据相对简单，时间上可以随意控制。但正因为串口数据流的这种特性，使得数据接收时常常容易造成数据不流畅均匀、存在空白间隔[5]。且由于串口接线结构简单，在工厂等特殊环境下易受到外界信道干扰而造成误码，给数据的接收造成一定的困难。因此要求设备之间的串口通信存在一定规范的协议以控制数据的传输，以及对于数据正确性的校验，本设计制定的通信协议如表1所示。[4]
表1 无线串口通信协议格式
协议包括：（长度：字节）
长度 1 1 10 1 1 X 1 1
内容 起始
标识 传输
类型 目标
地址 命令字 数据
长度 数据
内容 校验位 结束
标识
（1）协议说明如下
数据起始标识：0x5A（唯一，数据中不重复出现）
数据传输类型：0x00：点播，0x01组播，0x03广播
目标传输地址：网内设备编号（协调器为0x00），设备MAC
命令字：0x00控制命令;0x01普通数据
数据长度：数据内容的字节长度
数据内容（工厂温度、湿度、火警、烟雾、可燃气体浓度等）
校验位：累加和校验（除起始标识、结束标识以外所有数据的累加和除0x100的余数）
结束位标识：0xA5
注：数据中，0x5A以0x5B，0xFF代替;0x5B以0x5B，0x00代替;0xA5以0xA6，0xFF代替;0xA6以0xA6，0x00代替。
（2）无线串口通信例子
无线串口通信数据传输如图4所示。
图4 无线通信数据传输
从图4中可知，传输的数据5A00000000124B678EC401051D90220001ECA5可分解为：
5A 00 0000 00124B678EC4 01 05 1D 90 22 00 01 EC A5，各个数据位代表的含义具体说明如下：
数据起始标识：0x5A
数据传输类型：0x00：点播，0x01组播，0x03广播
目标传输地址：
网内设备编号0x00（目标为协调器），
MAC地址：00：12：4B：67：8E：C4
命令字：0x01普通数据
数据长度：0x05
数据内容：
温度：1d.90 （十六进制）→35.56℃
湿度：22 （十六进制）→34%
可燃气体：00 →未超出预设阀值
红外人体感应：01→监测范围内有人
校验位：00+00+00 00+12+4B+67+8E+C4+ 01+05+1D+90+22+00+01+EC=0x02EC
0x02EC MOD 0X0100=0xEC
结束位标识 0xA5
该数据包将温度35.56℃，湿度34%，可燃气体未超值，有人活动等工厂的关键环境信息，且附带正确的校验值（0xEC）以点播的形式发送至协调器节点。
5.结论
串口通信拥有程序编写简单、硬件接口简单、技术成熟、硬件成本低廉等优点。结合ZigBee无线网络构建方便、功耗低、成本低廉的特点，很好的解决了工厂面积大、空間复杂、布线困难的问题。串口与ZigBee技术的结合提供了一套完善的工厂监测解决方案，实现对工厂温度、湿度、气压、危险气体等环境参数的检测，从而实现了对现代化工厂实时、准确、可靠的自动化管理，为新型物联网技术提供新的技术支持。
参考文献
[1]关新平，闫文凯，袁亚洲，刘志新.基于zigBee自动抄表的无磁热量表的设
计与实现[J].自动化仪表，2012，33（7）.
[2]王萍，陈长青，龚睿等.基于nRF905的无线串口通信系统[J].微计算机信息，2007，24（32）.
[3]朱向庆，陈志雄，洪晖.基于ZigBee协议带AT命令的无线串口设计[J].低压电器，2009（10）.
[4]李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计[J].电子设计工程.2011（8）.
[5]马玉春，宋瀚涛.串行通信协议的研究及应用[J].计算机应用研究，2004，21（4）.
基金项目：韶关市科技计划项目（2012CXY/C13）资助。
作者简介：
甄毅程（1991—），男，广东珠海人，大学本科，现就读于广州大学机械与电气工程学院电子信息工程专业。
伍冯洁（1979—），女，广东阳江人，硕士，高级实验师，从事计算机测控技术的实验教学。