一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

郭曉科，宋 燁 ，練 斌

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

郭曉科，宋 燁 ，練 斌

(長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410124)

針對(duì)高職“通信技術(shù)課程”教學(xué)的需要，設(shè)計(jì)一種基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目教學(xué)平臺(tái)，采用CC2530射頻芯片。教學(xué)平臺(tái)研發(fā)包括三部分，硬件環(huán)境的設(shè)計(jì)，軟件環(huán)境的搭建，教學(xué)項(xiàng)目資源的開發(fā)，教學(xué)平臺(tái)應(yīng)用于實(shí)踐教學(xué)中可以提高學(xué)生工程開發(fā)能力。

無線網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2530;教學(xué)平臺(tái)

高職學(xué)生在學(xué)習(xí)通信技術(shù)這門課程的時(shí)候，由于通信技術(shù)這門課程本身難度高，數(shù)學(xué)公式多，比較抽象，一直以來難于進(jìn)行項(xiàng)目化、模塊化教學(xué)，主要是難于找到一個(gè)合適載體。學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課程的過程中感覺難度大、太抽象、難理解，學(xué)習(xí)效果差，只能把這門課程當(dāng)做一門擴(kuò)展知識(shí)面的課程，感覺它的實(shí)用性很小。但實(shí)際并非如此，這門課是通信專業(yè)必修課，作為其他電子類專業(yè)，如果要做通信相關(guān)的工作，也必須對(duì)其進(jìn)行了解。所以如何讓學(xué)生掌握這一門課程迫在眉睫，而ZigBee做為一種新興發(fā)展起來的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，正在快速進(jìn)入很多領(lǐng)域，是目前發(fā)展的熱點(diǎn)之一。ZigBee是一種分層體系結(jié)構(gòu)，又是基于8051基礎(chǔ)之上的，完全兼容8051的語言與開發(fā)平臺(tái)，所以學(xué)生完全可以進(jìn)行應(yīng)用層開發(fā)。如何能把ZigBee技術(shù)與通信技術(shù)這門課程結(jié)合起來，以ZigBee為項(xiàng)目載體，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中掌握通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、積累項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，為學(xué)生以后的職業(yè)生涯打下基礎(chǔ)，對(duì)于學(xué)生將來的就業(yè)與發(fā)展是非常有幫助的。基于以上原因，從實(shí)際教學(xué)需求出發(fā)，開發(fā)一款基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)，采用底板和核心板分離的雙芯片設(shè)計(jì)方案，并在此教學(xué)平臺(tái)上開發(fā)了項(xiàng)目教學(xué)案例。

1 教學(xué)平臺(tái)的介紹

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目教學(xué)平臺(tái)是基于CC2530解決方法，參考了TI 提供的技術(shù)資料，但并未全部遵循他們?cè)O(shè)計(jì)方案，而是裁剪掉一些華而不實(shí)的東西，改進(jìn)了原電路，方便調(diào)試開發(fā)，大大降低了開發(fā)難度，提高開發(fā)效率，特別適合高職學(xué)生使用。設(shè)計(jì)此教學(xué)平臺(tái)目的就是為了讓學(xué)生通過項(xiàng)目制作直觀了解通信技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，讓學(xué)生充分掌握ZigBee架構(gòu)體系及通信的機(jī)制，能在此平臺(tái)上進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)，掌握C語言的編程技術(shù)。所以此平臺(tái)的項(xiàng)目教學(xué)案例必須要優(yōu)化選擇，具備可操作性，內(nèi)容呈現(xiàn)階梯性、開放性、擴(kuò)展性。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目教學(xué)平臺(tái)主要包括了硬件資源、軟件資源、項(xiàng)目教學(xué)資源三大部分。每套硬件設(shè)備包括兩個(gè)底板和兩個(gè)核心板，一個(gè)底板和一個(gè)核心板配成一對(duì)，自帶2個(gè)USB模塊、一個(gè)仿真器、LED 指示燈、1 個(gè)復(fù)位，3個(gè)普通按鍵、minUSB與DC2.1供電、Debug 接口、LCD接口、4個(gè)傳感接口。軟件資源包括，軟件開發(fā)平臺(tái)、程序下載器、仿真驅(qū)動(dòng)、USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧、協(xié)議包捕獲與分析、上位機(jī)軟件等。項(xiàng)目教學(xué)資源主根據(jù)由淺入深，逐步推進(jìn)的原理，可以分為三個(gè)檔次，基礎(chǔ)教學(xué)項(xiàng)目、擴(kuò)展教學(xué)項(xiàng)目、實(shí)用教學(xué)項(xiàng)目。

2 教學(xué)平臺(tái)硬件環(huán)境的構(gòu)建

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種可擴(kuò)展的、自恢復(fù)、自組織的無線網(wǎng)絡(luò)，能管理多種數(shù)據(jù)傳輸模式[1,2]。為了降低成本，依據(jù)IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee網(wǎng)絡(luò)劃分成三類設(shè)備，即ZigBee路由器、ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee終端設(shè)備。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)根據(jù)配置不同，可以實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)功能，可以作為教學(xué)演示與項(xiàng)目開發(fā)。教學(xué)平臺(tái)主要由核心板與底板組成，核心板與底板通過插針鏈接在一起，可以分離、靈活方便、節(jié)省成本。核心板主要作用是用于2.4G信號(hào)接收與發(fā)射，底板是對(duì)核心板的外圍開發(fā)、人機(jī)互動(dòng)、方便控制、便于開發(fā)，底板主要由電源電路，LED電路，LCD電路，USB轉(zhuǎn)串口電路，按鍵電路，Debug接口電路，傳感電路，以及外圍擴(kuò)展接口構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)

ZigBee模塊核心板是實(shí)現(xiàn)無線通信的基礎(chǔ)，采用的射頻芯片是Chipcon公司推出的CC2530，該芯片是TI推出的專門針對(duì)ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻SOC，并且同時(shí)推出了針對(duì)該款芯片的ZigBee協(xié)議棧。它主要包含一個(gè)高性能射頻收發(fā)器和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。微控制器主要包括存儲(chǔ)器及外圍設(shè)備，并為其它模塊提供電源管理、時(shí)鐘分配和測(cè)試等重要功能。它上面的資源有1個(gè)8位8051MCU、模數(shù)轉(zhuǎn)換器件ADC、256KB可編程閃存、8KB的RAM、定時(shí)器Timer、32kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時(shí)器電路、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路、以及21個(gè)可編程I/O引腳[3]，核心板如圖2所示。

圖2 ZigBee模塊核心板

ZigBee底板設(shè)計(jì)時(shí)考慮節(jié)省成本，靈活便捷的原則，電源供電提供USB和DC2.1兩種方式、接口通用，為了筆記本用戶使用方便，設(shè)計(jì)了USB轉(zhuǎn)串口的功能，只要裝上了驅(qū)動(dòng)，就可以實(shí)現(xiàn)和核心板通信功能。底板設(shè)計(jì)了8個(gè)LED指示電路，用于數(shù)據(jù)收發(fā)顯示多種功能，4個(gè)按鍵，LCD接口(并支持OLED)，顯示清晰，調(diào)試所見即所得；Debug接口電路、在線下載、在線調(diào)試功能。板上資源豐富，通用傳感器插上就能使用，所有I/O口都進(jìn)行了擴(kuò)展，便于外接電路與二次開發(fā)，底板如圖3所示。

圖3 ZigBee模塊底板

3 教學(xué)平臺(tái)軟件環(huán)境的構(gòu)建

軟件設(shè)計(jì)主要包括 2 個(gè)部分:ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件和上位機(jī)監(jiān)控軟件[4]。ZigBee 節(jié)點(diǎn)開發(fā)有兩款軟件可以選擇Keil C51與IAR集成開發(fā)環(huán)境。Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的51系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)， 提供豐富的庫函數(shù)和界面友好的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、 編譯、 連接、 調(diào)試、 仿真等整個(gè)開發(fā)流程[5]。IAR集成開發(fā)環(huán)境, 它是瑞典IAR System公司推出的一種的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具[6], 它使用戶能夠充分有效的開發(fā)并管理嵌入式應(yīng)用項(xiàng)目，嵌入式IAR 適用于8位、16位以及32位的微處理器和微控制器，通過 IAR 工具用戶可以大大節(jié)省工作時(shí)間。這里兩款軟件都可以使用，但推薦使用IAR集成開發(fā)環(huán)境，只需按照安裝提示一步步操作，即可完成環(huán)境配置。

節(jié)點(diǎn)程序編譯好以后，就要下載到的核心板上去和在線調(diào)試，Smart RF Flash Programmer和仿真器是很好的幫手，SmartRF 閃存編程器可用于對(duì)德州儀器(TI) 射頻片上系統(tǒng)器件中的閃存進(jìn)行編程，按照安裝提示操作即可。安裝 USB 轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在的筆記本電腦或臺(tái)式電腦很多都不帶串口，USB 轉(zhuǎn)串口成了開發(fā)人員必不可少的工具，開發(fā)板集成了 USB 轉(zhuǎn)串口，安裝驅(qū)動(dòng)就可使用。安裝ZStack協(xié)議棧，TI提供的半開源的協(xié)議棧，里面包括一些文檔和例程，Zigbee組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)都可以基于里面的例程來修改，主要學(xué)習(xí)Zstack和使用Zstack的函數(shù)，這是將來學(xué)習(xí)無線通信的基礎(chǔ)和重點(diǎn)。Packet Sniffer軟件包監(jiān)聽器是 PC端 應(yīng)用軟件程序，用于顯示和存儲(chǔ)使用監(jiān)聽射頻器件捕獲的射頻軟件包。射頻器件通過 USB 與 PC 相連，支持各種射頻協(xié)議，軟件包監(jiān)聽器可以對(duì)軟件包進(jìn)行過濾和解碼，并以簡(jiǎn)便的方式顯示它們，同時(shí)提供用于過濾和存儲(chǔ)為二進(jìn)制文件格式的選項(xiàng)。除此之外在項(xiàng)目開發(fā)中，還可能用到UltraEdit、Source Insight 3.5、Beyond Compare、VC助手等輔助軟件。

4 教學(xué)資源的介紹

教學(xué)資源分為基礎(chǔ)教學(xué)項(xiàng)目、擴(kuò)展教學(xué)項(xiàng)目、實(shí)用教學(xué)項(xiàng)目，基礎(chǔ)教學(xué)項(xiàng)目主要是為了讓學(xué)生熟悉CC2530的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、編程方法、編程技巧，使用C語言作為開發(fā)語言。目前開發(fā)項(xiàng)目有GPIO輸出控制實(shí)驗(yàn)-控制Led亮滅、按鍵控制LED亮滅、按鍵控制LED跑馬燈、外部中斷控制LED倒流水燈、AD采集cc2530溫度串口顯示、MQ-2氣體傳感器、溫度傳感器DS18B20、人體紅外傳感器、光敏和熱敏傳感器等等。擴(kuò)展與實(shí)用教學(xué)項(xiàng)目是為了進(jìn)一步提高學(xué)生能力，鍛煉學(xué)生實(shí)戰(zhàn)開發(fā)技能，屬于深入與拔高階段，目前已經(jīng)開發(fā)了部分項(xiàng)目，后續(xù)還有項(xiàng)目計(jì)劃開發(fā)。

5 結(jié)論

該教學(xué)平臺(tái)的研發(fā)，對(duì)于提高學(xué)生技能與掌握通信的機(jī)制有很大的幫助，目前擴(kuò)展與實(shí)用項(xiàng)目的開發(fā)還不足，需要以后不斷推出新項(xiàng)目，以補(bǔ)充目前的不足，需要后續(xù)不斷努力。

[1] 肖俊芳. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵技術(shù)研究 [D]. 上海: 上海交通大學(xué), 2009.

[2] 鄭凱. 基于ZigBee無線傳感器技術(shù)的心電監(jiān)護(hù)網(wǎng)絡(luò)的研究 [D]. 吉林: 吉林大學(xué), 2008.

[3] CC2530中文數(shù)據(jù)手冊(cè)完全版[Z]. Texas Instruments. 2009-04.

[4] 陶為戈,陳興瑞,賈中寧,等. 一種 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,(12).

[5] ARM Ltd. Getting Started Creating Applications with μVision4[EB/OL]. http:/ /www.keil. com/product/ brochures/uv4，2013-08-11．

[6] 許建國(guó),郭麥成,茍培培. 基于ARM 嵌入式系統(tǒng)的虛擬仿真[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù),2007,(3).

[編校：楊英偉]

Construction of a Wireless Network Project TeachingP Based on ZigBee

GUO Xiaoke,SONG Ye,LIAN Bin

(ChangshaAeronauticalVocationalandTechnicalCollegeChangshaHunan410124)

According to the vocational teaching requirements of communication technology course, a wireless network project teaching platform of ZigBee based on CC2530 RF chip was developed. Teaching platform development includes three parts, namely, the design of hardware environment, the building of software environment, and the development of teaching resources for the project. The application of teaching platform in practice teaching can improve the students' ability of engineering development.

wireless network; ZigBee; CC2530; teaching platform

2015-02-14

郭曉科(1981- )，男，陜西寶雞人，講師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、通信技術(shù)。

本文為2013年湖南省高等學(xué)校教學(xué)改革項(xiàng)目(高職)“基于ZigBee的通信技術(shù)模塊化教學(xué)改革研究”(編號(hào)：YC1104)階段性研究成果。

TP212.9

A

1671-9654(2015)01-023-04