基于ZigBee的單片機無線通信系統(tǒng)實現(xiàn)

近距離的無線通信技術近幾年有很大的發(fā)展，其中WiFi(IEEE 802.11)、藍牙以及ZigBee是應用比較多的幾種標準。這幾種協(xié)議側重點各有不同，相對于前面兩者來講，Zig Bee由于其可靠性、低功耗及安全性等特性在無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)中得到了較為廣泛的應用。特別是用于醫(yī)療健康監(jiān)測的可穿戴傳感器(Wearable Sensor)領域發(fā)展的較為迅猛。國外對無線傳感器技術研究較早，也已經有很多成熟的產品面世，如iMote2、TelosB、MicaZ以及WaspMote等。隨著開源單片機系統(tǒng)開發(fā)平臺Arduino的普及，基于ZigBee協(xié)議標準的XBee系列產品也日漸流行。本文主要針對XBee產品系列中的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(PAN)協(xié)議，這是一種短距離、低功耗、低成本的通信技術。它由ZigBee聯(lián)盟制定，主要適合于短距離無線數據傳輸，可以構成一個無線傳感器網絡。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絡層、應用層和安全服務規(guī)范。在ZigBee協(xié)議中，根據設備的通信能力，可分為全功能設備(FFD))和精簡功能設備(RFD);根據設備的功能，可以分為協(xié)調器(coordinator)、路由器(router)和終端設備(end—device)3種邏輯設備。協(xié)調器是一種FFD設備，它是網絡的中心節(jié)點，負責網絡的啟動和配置。一個網絡中只允許有一個協(xié)調器，當整個網絡啟動和配置完成后，它的功能就相當于一個路由器。路由器也是一種FFD設備，它主要負責維護網絡的路由信息，并轉發(fā)消息到其他設備，擴展信號的傳輸范圍。終端設備可以是FFD設備或RFD設備，它具有加入和退出網絡的功能，并能接收和發(fā)送報文，一般連接傳感器設備，作為監(jiān)測點，可睡眠或喚醒，因此可以用電池供電?；赯igBee協(xié)議的產品很多，其中較為流行的是Digi公司的XBee，因而我們使用的也是Xbee系列的產品。

2)XBee的配置

XBee的產品種類比較多，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的相關參數進行設定，可以到Digi的官方網站下載最新版的配置軟件X—CTU，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X—CTU，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)，設置好波特率等參數，XBee模塊出廠里默認的設置為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“PANID”等參數并寫入到XBee模塊。PAN ID指的是兩個或多個無線通信模塊所構成的PAN(個域網)的ID編號，因此對于屬于同一個網絡中的XBee模塊來說這個參數一定要相同。

XBee本身只是一個無線的通信模塊，雖然僅使用兩個XBee本身也能夠實現(xiàn)兩個點之間的數據傳輸，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，不過存在一定的風險。我們采用的是XBee V5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AMuino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模塊寫數據就可以實現(xiàn)數據的發(fā)送;當XBee模塊通過無線通道接收到數據時，通過讀串行接口可以很方便地獲得這些數據。用X—CTU軟件配置好兩個XBee模塊的參數后，兩個插上XBee模塊的AMuino控制器就可以像有線RS232串口通信一樣相互傳送數據了。當然，如果要實現(xiàn)我們所期望的結果還需要給Arduino添加一個XBee適配器的驅動。對于我們使用的Arduino UNO控制器，可以在Arduino官網下載一個Arduino 0018版編程軟件，它里面的drivers目錄里就可以找到這個驅動。先把寫到的測試程序下載到Arduino控制板，再將配置好參數的XBee模塊通過V5擴展板插到Arduino控制板。

我們把其中一個XBee模塊設為主機，其主要代碼如下：主機程序：

以上程序可以實現(xiàn)兩個XBee模塊間的簡單通信。要實現(xiàn)成塊數據的傳輸比如將采集到的各種傳感器數據發(fā)送和接收，過程就變得比較復雜。XBee模塊有兩種數據傳輸模式：AT(Transparent/Command) 模式及API(Applieation Program Interface)模式。AT模式主要用于配置XBee模塊的參數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雜，在此我們只簡單討論一下API模式。

在API模式下信息以數據幀的方式傳輸，其幀結構主要包括4個部分：

1)起始符

2)數據部分的長度(用2個字節(jié)的十六進制表示)

3)幀數據部分(包括附加控制數據)

4)校驗和

如表1所示，起始符為0x7E表示一個數據幀的開始?？梢杂谜Z句if(Serial.read()==0x7E)來檢測是否接收到一個新的數據幀，不能確定一個幀的起始位置無法正確得到有效數據，因為無從判斷當前收到數據字節(jié)代表的是什么。數據長度是以16進制表示的數據部分的長度。數據部分包括真正要傳輸的信息以及為了保證數據的可靠傳輸而附加的控制信息，包括幀的數據類型、幀的序號、64bit的物理目的地址、16bit網絡目的地址及其它相關信息。幀的有效載荷即真正的數據信息首字節(jié)的偏移量可由幀結構的第一個字節(jié)——幀類型計算得到，其長度可由數據長度字段減去首字節(jié)的偏移量得到。數據部分的獲取幀結構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據長度部分。

使用Arduino的一個好處是我們在網上可以找到大多數常見外圍器件的第三方函數庫，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)成的函數庫來簡化通信的過程，用戶可以根據自己的需要選擇不同的編程語言如C/C++、Python、Java或Processing等。

3 結論

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