基于Modbus协议的ZigBee/工业以太网网关设计

时间:2009-12-01

  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μC/OS-Ⅱ实时操作系统。

  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,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。

  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。

  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<Device_Number;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。


  

参考文献:

[1]. SST39LF040  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SST39LF040+_306418.html.
[2]. AS7C4096  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AS7C4096+_1106482.html.
[3]. AX88796L  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AX88796L+_147320.html.
[4]. MC13213 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/MC13213_2413763.html.
[5]. PCB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html.
[6]. PC6 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC6_1146146.html.


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