基于Modbus协议的ZigBee工业以太网网关设计.doc

基于Modbus协议的ZigBee/工业以太网网关设计摘要：针对工业无线通信和工业以太网发展情况,提出一种ZigBee/工业以太网网关。网关应用层采用Modbus/RTU主从式协议,以太网传输层采用UDP协议。文中介绍了网关硬件、软总体设计,重点介绍了Zigbee/Modbus地址映射和收发缓冲区设计。网关硬件设计基于RABBIT3000MCU和SZ05-ZBEE ZigBee模块,软件设计基于Dynamic C和C/OS-实时操作系统。广告插播信息维库最新热卖芯片： SN74LVC04APWR XC9536-15VQ44I DS1206S AME8801DEEV 3842 MAX4374HEUB 74HCT04D ADM211AR EL1883ISZ MIC2287BD51 引言工业无线通信技术是继现场总线、工业以太网之后，工业自动化领域又一个研究热点。 实际上，无论是场总线还是工业以太网，都已经形成了多标准并存的局面，在协议转换、异 构网络接入过程中，网关起着重要作用。工业无线通信技术要应用于工控领域，也面临诸如 开放性、互操作等技术。ZigBee 因其低成本、低功耗、组网灵活等众多优势，成为工业无线通信技术中备受关 注的技术之一。ZigBee 是一种低速网络，传输速度为10KB/S250KB/S，其在工业自动化 应用中，一般要接入上层网络。本文介绍一种ZIGBEE/工业以太网网关设计，实现ZIGBEE 与工业以太网的一种接入，设计中ZigBee 和工业以太网应用层都采用自动化仪表广泛支持 的Modbus/RTU 协议。2 网关硬件体系结构网关硬件体系结构如图 1 所示。系统以RABBIT3000 MPU 为核心，扩展了以太网接口、 ZigBee 无线通信接口和基本的flash、RAM 及电源电路。图中SST39LF040 为512Kflash， AS7C4096 为512K SRAM，与RABBIT3000 的地址线（A0A18）、数据线（D0D7）、片选 线（CS0CS2）、读写线（OE0、OE1、WE0、WE1）直接无译码相连。AX88796L 为以太 网接口控制芯片，10M/100M 兼容，3.3V 供电。AX88796L 的TPOP、TPON、TPIP、TPIN 接RJ45 连接器LF1S022。SZ05-ZBEE 是上海顺舟公司的无线通信模块，模块将Freescale的MC13213及外围电路 布置在2.754.8cm的PCB板上，提供标准2.54 双排插针接口，包含电源接口、数据接口、 控制接口和系统指示灯接口和天线接口等，采用IEEE802.15.4/ZIGBEE 标准地址寻址，支持 星型、树型、链型、网状网等拓扑结构。SZ05-ZBEE通过RX1、TX1（串行通信接口）直接与 RABBIT3000的PC6、PC7（串行通信口A）连接。3 网关软件设计网关的主要功能是实现Zigbee与以太网之间的数据传输。SZ05-ZBEE无线通信模块集成 了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，初始化设置后，模块即可以实现透明串口 传输。为适应短帧实时和确定性通信发展趋势，以太网通信采用UDP/IP协议，应用层采用 Modbus/RTU主从式协议。类似于Modbus/TCP协议，也可以称以太网侧协议为Modbus/UDP 协议3。网关软件基于Dynamic C和C/OS-实时操作系统设计。3.1 网关转发报文的总体设计Modbus 标准中规定了完整的消息、数据结构、命令和应答方式，但只是OSI 模型第7 层上的应用层报文传输协议，定义的是一种以数据帧形式表示的能使设备相互识别和使用的 消息结构。因此，可以不对数据包作任何修改，将Modbus/RTU 报文作为应用层数据在不 同网络之间传输。网关中即是将 Modbus/RTU 报文作为UDP 和ZigBee 应用层数据传输。主站报文通过 UDP 端口接收，去掉帧头帧尾，附加Zigbee 短地址，通过串口发给SZ05-ZBEE，转化为 ZigBee 报文发送；从站的ZigBee 报文由SZ05-ZBEE 转为串口数据接收，去掉ZigBee 短地 址，附加UDP 帧头帧尾，然后由以太网口转发。具体程序包括5 个任务：UDP 接收、串口 发送、串口接收、UDP 发送以及嵌入式Web Server。嵌入式Web Server 用于设备管理。系 统程序结构如图2 所示。3.2 地址映射4对于ZigBee 设备，有其IEEE 地址和16 位短地址。设计中将ZigBee16 位短地址与Modbus 从站地址绑定，从而实现Modbus 主、从各节点之间地址定向。具体是将一系列Modbus 从 站地址和ZigBee 短地址以配置文件config.txt 下装到flash，网关在初始化时，读取配置文件 内容，存储在数组中。数组形式为：char ModbusZigbee_Addr 3=ModbusAddr0,shortAdd0H, shortAdd0L, ModbusAddrn,shortAddnH,shortAddnL接收UDP 报文后，读取报文中的Modbus 从站地址，检索数组得到与之匹配的 ModbusAddrx（ModbusAddr0 到ModbusAddrn 中查找）,从而读取该从站ZigBee 短地址 shortAddxH、 shortAddxL。该短地址将附加在所接收的UDP 报文之前，一同作为串行通信 口的转发报文。config.txt 文件中，Modbus 从站地址和ZigBee 短地址在存储时以空格间隔，文件以#结 束。数组的第一维长度在读取文件后确定，定义为Device_Number。检索ZigBee 短地址函 数如下：int ZigBee_Search(char Modbusaddr)int i=0;For(i=0;iDevice_Number;i+)If(Addri0= ModbusAddr)return i ;return Device_Number Addri1、Addri2为对应的ZigBee 短地址。返回值为Device_Number 表示未检索到。3.3 缓冲区设计及数据接收转发为了解决以太网口和串行通信口速度配合上，以及解除串口与以太网口耦合，设计了两 个环形队列作为UDP 接收缓冲区和串口接收缓冲区(用宏Buffer_Size 定义)。缓冲区仿双口 RAM 思想、按照先进先出（FIFO）原则设计。 UDP 接收缓冲区同时是串口发送数据区。 缓冲区结构为：char UDP_ReceiveBufferBuffer_Size=SendNumber1，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，Funcodex，SendNumbern，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，FuncodexModbusAddrx 开始为所接收的UDP 报文，即完整的Modbus/RTU 数据。shortAddxH 和shortAddxL 为ZigBee 短地址，SendNumberx 为UDP 报文长度加2，即串口要转发的数据长 度。每次接收的UDP 报文都附加ZigBee 短地址和SendNumberx 这3 个字节存放在缓冲区 中。UDP 接收缓冲区设置了当前存储数据指针(int UDP_Location)，始终指向当前存储数据 尾部。类似，针对串口转发，设置了当前发送数据指针（int Serial_Location）始终指向已经 发送数据尾部。系统默认Modbus/RTU 数据帧长度不大于256。指针大于Buffer_Size 以后 均回零，此后，原来的报文陆续被覆盖。“串口发送”任务判断两指针是否重合，决定是否 启动串口转发。UDP 口接收报文部分程序如下。串口接收缓冲区设计类似。由于数据通过固定的端口和IP 地址转发，存储数据中不再 包含类似于Zigbee 地址的数据项。3 结束语本文设计适当调整可以用于更多场合。如，动态管理地址绑定数组，可以适应动态组网；数组中增加IP 地址、端口号等可适应其他类型报文；调整缓冲区大小可以适应不同尺寸报 文收发等。 经过多年的重点扶持，我国工业以太网研究已经取得