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