基于ZigBee的單片機無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)

李偉

（鹽城衛(wèi)生職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江 蘇 鹽 城 2 24006）

近距離的無線通信技術(shù)近幾年有很大的發(fā)展，其中WiFi（IEEE 802.11）、藍牙以及ZigBee是應(yīng)用比較多的幾種標準。這幾種協(xié)議側(cè)重點各有不同，相對于前面兩者來講，ZigBee由于其可靠性、低功耗及安全性等特性在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]（Wireless Sensor Network）中得到了較為廣泛的應(yīng)用。特別是用于醫(yī)療健康監(jiān)測的可穿戴傳感器（Wearable Sensor）領(lǐng)域發(fā)展的較為迅猛。國外對無線傳感器技術(shù)研究較早，也已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品面世，如iMote2、TelosB、MicaZ以及WaspMote等[2]。隨著開源單片機系統(tǒng)開發(fā)平臺Arduino[3]的普及，基于ZigBee協(xié)議標準的XBee系列產(chǎn)品也日漸流行。本文主要針對XBee產(chǎn)品系列中的XBee Pro ZB，探討了使用ZigBee協(xié)議進行單片機之間無線通信的方法。

1 ZigBee

1）簡 介

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)（PAN）協(xié)議，這是一種短距離、低功耗、低成本的通信技術(shù)。它由ZigBee聯(lián)盟制定，主要適合于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸，可以構(gòu)成一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee基于802.15.4，它在802.15.4所規(guī)定的物理層和媒體訪問控制層的上面添加了自己的網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和安全服務(wù)規(guī)范。在ZigBee協(xié)議中，根據(jù)設(shè)備的通信能力，可分為全功能設(shè)備(FFD))和精簡功能設(shè)備(RFD)[4]；根據(jù)設(shè)備的功能，可以分為協(xié)調(diào)器(coordinator)、路由器(router)和終端設(shè)備(end-device)3種邏輯設(shè)備。協(xié)調(diào)器是一種FFD設(shè)備，它是網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動和配置。一個網(wǎng)絡(luò)中只允許有一個協(xié)調(diào)器，當整個網(wǎng)絡(luò)啟動和配置完成后，它的功能就相當于一個路由器。路由器也是一種FFD設(shè)備，它主要負責(zé)維護網(wǎng)絡(luò)的路由信息，并轉(zhuǎn)發(fā)消息到其他設(shè)備，擴展信號的傳輸范圍。終端設(shè)備可以是FFD設(shè)備或RFD設(shè)備，它具有加入和退出網(wǎng)絡(luò)的功能，并能接收和發(fā)送報文，一般連接傳感器設(shè)備，作為監(jiān)測點，可睡眠或喚醒，因此可以用電池供電。基于ZigBee協(xié)議的產(chǎn)品很多，其中較為流行的是Digi公司的XBee，因而我們使用的也是Xbee系列的產(chǎn)品。

2）XBee的配置

XBee的產(chǎn)品種類比較多，不僅有基于ZigBee協(xié)議的，也有支持802.15.4以及藍牙的，我們選用的是基于ZigBee協(xié)議的XBee Pro ZB。使用之前我們必須對XBee的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，可以到Digi的官方網(wǎng)站下載最新版的配置軟件XCTU，其基本界面如下：

配置之前需將XBee通過USB口與電腦相連，運行XCTU，在“PC Settings”中里選擇XBee適配器映射出來的USB串口通信端口（USB Serial Port），設(shè)置好波特率等參數(shù)，XBee模塊出廠里默認的設(shè)置為9600b/s，這個一般不需要更改。點擊Test/Query按鈕，如果正常連接的話會出現(xiàn)一個顯示Modem類型、固件版本以及序列號等信息的對話窗口，其中的序列號是這個無線通信模塊的64位唯一硬件編號。完成測試后到配置軟件的 “Modem Configuration”選項修改“PAN ID”等參數(shù)并寫入到XBee模塊。PAN ID指的是兩個或多個無線通信模塊所構(gòu)成的PAN（個域網(wǎng)）的ID編號，因此對于屬于同一個網(wǎng)絡(luò)中的XBee模塊來說這個參數(shù)一定要相同。

圖1 X-CTU配置界面Fig.1 X-CTU configuration interface

XBee本身只是一個無線的通信模塊，雖然僅使用兩個XBee本身也能夠?qū)崿F(xiàn)兩個點之間的數(shù)據(jù)傳輸，但其只具有通信的功能，不具備什么控制能力，當需要擴展外部器件如傳感器時幾乎不太可能。為了增強整個系統(tǒng)的功能，最好把它連接到單片機上，我們選擇開源單片機開發(fā)平臺Arduino作為XBee模塊的控制面板。用于Arduino擴展XBee的擴展板有很多種，也可以自己動手直接將XBee模塊接到Arduino控制板上，不過存在一定的風(fēng)險。我們采用的是XBee V5[5]擴展板，市場價格大概在三十元左右。

2 將XBee連接到Arduino

XBee模塊與Arduino之間其實就是通過串行接口 （即Tx和Rx引腳）進行通信。

對于簡單的點對點通信來講，只需要通過串行接口向XBee模塊寫數(shù)據(jù)就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；當XBee模塊通過無線通道接收到數(shù)據(jù)時，通過讀串行接口可以很方便地獲得這些數(shù)據(jù)。用X-CTU軟件配置好兩個XBee模塊的參數(shù)后，兩個插上XBee模塊的Arduino控制器就可以像有線RS232串口通信一樣相互傳送數(shù)據(jù)了。當然，如果要實現(xiàn)我們所期望的結(jié)果還需要給Arduino添加一個XBee適配器的驅(qū)動。對于我們使用的Arduino UNO控制器，可以在Arduino官網(wǎng)下載一個Arduino 0018版編程軟件，它里面的drivers目錄里就可以找到這個驅(qū)動。先把寫到的測試程序下載到Arduino控制板，再將配置好參數(shù)的XBee模塊通過V5擴展板插到Arduino控制板。

圖2 XBee模塊與Arduino的連接電路圖Fig.2 Connection diagram between Xbee module and Arduino

我們把其中一個XBee模塊設(shè)為主機，其主要代碼如下：

主機程序：

int open=4; //開燈按鈕連在數(shù)字端口4

char flag; //定義“向從機發(fā)送LED燈亮標志”的變量

void setup()

{

pinMode(open,INPUT); //設(shè)置按鈕為輸入模式

Serial.begin(9600); //波特率為9 600 b/s

}

void loop()

{

//如果亮燈按鈕按下

if(digitalRead(open)==LOW)

{

flag='a';

Serial.print(flag);//向從機發(fā)送燈亮標志

}

delay(20);//延時20 ms，等待數(shù)據(jù)發(fā)送成功

}

從機程序：

int led_pin=9; //LED燈連在數(shù)字端口9

int val; //定義“接受主機發(fā)來的LED燈亮滅標志”的變量

void setup()

{

pinMode(ledpin,OUTPUT);//設(shè)置LED燈為輸出模式

Serial.begin(9600); //波特率為9 600 b/s

}

void loop()

{

if(Serial.available()>0) //查詢串口有無數(shù)據(jù)

{

val=Serial.read(); //讀取主機發(fā)送的數(shù)據(jù)

if(val==‘a(chǎn)') //如果主機發(fā)送字符'a'，則點亮LED

{

digitalWrite(led_pin,LOW);//LED燈點亮

}

}

}

以上程序可以實現(xiàn)兩個XBee模塊間的簡單通信。要實現(xiàn)成塊數(shù)據(jù)的傳輸比如將采集到的各種傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，過程就變得比較復(fù)雜。XBee模塊有兩種數(shù)據(jù)傳輸模式 ：AT （Transparent/Command） 模 式 及 API（Application Program Interface）模式。AT模式主要用于配置XBee模塊的參數(shù)以及簡單的文本傳輸，使用比較簡單，但其功能非常有限。相對而言API模式的功能要強大很多，不過使用起來也比較復(fù)雜，在此我們只簡單討論一下API模式。

在API模式下信息以數(shù)據(jù)幀的方式傳輸，其幀結(jié)構(gòu)主要包括4個部分：

1)起始符

2)數(shù)據(jù)部分的長度（用2個字節(jié)的十六進制表示）

3)幀數(shù)據(jù)部分（包括附加控制數(shù)據(jù)）

4)校驗和

表1 幀結(jié)構(gòu)Tab.1 API frame structure

如表1所示，起始符為0x7E表示一個數(shù)據(jù)幀的開始。可以用語句if(Serial.read()==0x7E)來檢測是否接收到一個新的數(shù)據(jù)幀，不能確定一個幀的起始位置無法正確得到有效數(shù)據(jù)，因為無從判斷當前收到數(shù)據(jù)字節(jié)代表的是什么。數(shù)據(jù)長度是以16進制表示的數(shù)據(jù)部分的長度。數(shù)據(jù)部分包括真正要傳輸?shù)男畔⒁约盀榱吮ＷC數(shù)據(jù)的可靠傳輸而附加的控制信息，包括幀的數(shù)據(jù)類型、幀的序號、64bit的物理目的地址、16bit網(wǎng)絡(luò)目的地址及其它相關(guān)信息。幀的有效載荷即真正的數(shù)據(jù)信息首字節(jié)的偏移量可由幀結(jié)構(gòu)的第一個字節(jié)——幀類型計算得到，其長度可由數(shù)據(jù)長度字段減去首字節(jié)的偏移量得到。數(shù)據(jù)部分的獲取幀結(jié)構(gòu)最后一個部分為一個字節(jié)的校驗和，需要注意的是校驗和部分的計算不包括起幀的起始符及數(shù)據(jù)長度部分。

使用Arduino的一個好處是我們在網(wǎng)上可以找到大多數(shù)常見外圍器件的第三方函數(shù)庫[6]，在很多情況下可以大大地減少編程工作量或降低編程的難度。對于XBee模塊我們當然可以選擇使用現(xiàn)成的函數(shù)庫來簡化通信的過程，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同的編程語言如C/C++、Python、Java或Processing等。

3 結(jié)論

基于ZigBee協(xié)議標準的XBee除了能構(gòu)成一個點到點的通信控制系統(tǒng)外，還可以根據(jù)實際需要構(gòu)建一個具有可伸縮特性的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。每一個XBee模塊類似于MAC網(wǎng)卡，有自己唯一的64位物理地址，而加入網(wǎng)絡(luò)后會由協(xié)調(diào)器分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址，這意味著一個傳感器網(wǎng)絡(luò)最多可以達到65 000個節(jié)點[6]，因而有著很大的應(yīng)用前景。

[1]Robert Faludi.Building Wireless Sensor Networks[M].USA:O′Reilly Media Inc,2011.

[2]Shnayder V,Chen B,Lorincz K,et al.Sensor Networks for Medical Careh.[EB/OL][2012-03-01].http://www.docin.com/p-351457076.html.

[3]Michael McRoberts.Beginning Arduino[M].USA:Apress，2002.

[4]田亞.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].同濟大學(xué),2007.

[5]王中生,黃動力,陳國紹,等.基于ZigBee的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2014(2):98-99,104.WANG Zhong-sheng,HUANG Dong-li,CHEN Guo-shao,et al,Research and implementation of remote medical monitoring system based on ZigBee[J].Modern Electronics Technique,2014(2):98-99,104.

[6]瞿雷.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

[7]董哲,宋紅霞.基于ZigBee的無線儀表通信系統(tǒng)的研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2013（6）：55-58.DONG Zhe;SONG Hongxia.Study of wireless instrument communication system based on ZigBee [J].Industrial Instrumentation&Automation，2013（6）：55-58.