基于Modbus协议的ZigBee/工业以太网网关设计

1 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/S～250KB/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（A0～A18）、数据线（D0～D7）、片选 线（CS0～CS2）、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。

图1  ZIGBEE/工业以太网网关体系结构

    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2.75×4.8cm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μC/OS-Ⅱ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。
 

图2  系统程序结构[page]

    3.2 地址映射

    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;i

    {If(Addr[i][0]== ModbusAddr)

    return i ;

    }

    return Device_Number }

    Addr[i][1]、Addr[i][2]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_ReceiveBuffer[Buffer_Size]=

    [SendNumber1，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，Funcodex，……

    ……SendNumbern，shortAddxH，shortAddxL，ModbusAddrx，Funcodex]

    ModbusAddrx 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大量成果并广泛应用。目前，工业 无线通信技术也列为我国“十一五”863 重点研究项目，ZigBee 等技术也将逐步广泛应用于 工业自动化领域。本系统开发基于市场现有的通用技术，对中小型控制系统开发和改造有借 鉴意义。

    文章创新点：提出了一种简洁方便的 Zigbee/以太网接入方案，应用地址映射、环形缓 冲队列等解决了Zigbee 通信与以太网通信速度协调技术。