移動設(shè)備中ZigBee接口的實現(xiàn)

引言

ZigBee是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一種介于RFID和Bluetooth之間的技術(shù)提案。ZigBee一般采用IEEE 802.15.4收發(fā)器與ZigBee協(xié)議棧的組合，在數(shù)千個微小的節(jié)點之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。

這些節(jié)點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。因此，ZigBee在傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能家居、工業(yè)自動化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。市場研究公司NSR曾發(fā)布報告指出，首批具備ZigBee功能的產(chǎn)品將于2006年第一季在北美、歐洲和亞太地區(qū)展開，該機構(gòu)并預估，到2010年，全球?qū)⒖赏渴?.8億個ZigBee組件，成長非?？焖佟Ｍ瑯?，市調(diào)機構(gòu)In-Stat也曾在2005年發(fā)布新聞指出，五年內(nèi)，ZigBee成長將超過200%。但是，由于各家使用ZigBee技術(shù)的設(shè)備商采用的應(yīng)用協(xié)議不同，所以目前市場上很少通用的測試設(shè)備，執(zhí)行包括信道檢測，數(shù)據(jù)監(jiān)聽，發(fā)送功率等功能。本文介紹了一種在移動設(shè)備中實現(xiàn)ZigBee接口的方法，以windows mobile 6.0 Professional為平臺，在仿真器中給出了演示，同時，在HP iPaq rx3700的真機下測試通過。

1. 系統(tǒng)組成及功能

如圖1所示，按照功能，系統(tǒng)可以分成ZigBee模塊和移動設(shè)備這兩個部分，它們通過串口進行通信。ZigBee模塊負責IEEE 802.15.4信號的發(fā)送和接收，移動設(shè)備負責數(shù)據(jù)的處理，并向用戶提供有好的UI。

圖1系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)的功能如下：

1. 信道檢測。通過掃描，完成ZigBee技術(shù)2.4GHz頻段16個信道的狀態(tài)檢測，并返回給UI進行顯示。

2. 發(fā)送/接收信道設(shè)置。用戶通過UI給ZigBee模塊發(fā)送指令，使之通過設(shè)定的信道來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

3. 發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。用戶可以用文本方式或者HEX方式發(fā)送數(shù)據(jù)，并且可以用一定間隔進行連續(xù)發(fā)送。

4. 發(fā)送功率設(shè)置。用戶發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過UI給ZigBee模塊發(fā)送指令，可以設(shè)定發(fā)送的功率大小。

2. 結(jié)構(gòu)模型

2.1硬件結(jié)構(gòu)模型

如圖1所示，ZigBee模塊選用Freescale的HCS08GB60為MCU，MC13192為IEEE 802.15.4收發(fā)器，它們之間通過SPI接口進行通信。移動設(shè)備通過串口和ZigBee模塊中的HCS08GB60進行通信。

2.2網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以使用Star、Mesh和Mesh-Tree這三種拓撲結(jié)構(gòu)，具體可以參考圖2.

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型

從成本上來考慮，無線部分采用了Freescale免費提供的SMAC（Simple MAC）。SMAC給出了物理層和MAC層的API函數(shù)，包括工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換、信道選擇、發(fā)送功率選擇、時鐘選擇、信道能量和接收信號能量指示（RSSI）等等。該工程文件以Source的方式給出，而不是lib，且可以直接從Freescale網(wǎng)站上下載得到。

3. 軟硬件設(shè)計平臺

硬件設(shè)計軟件采用經(jīng)典的Protel99se，主要涉及ZigBee模塊的設(shè)計。設(shè)計輸出原理圖和PCB圖如下圖3所示：

圖3 硬件設(shè)計輸出圖

嵌入式開發(fā)環(huán)境采用CodeWarrior for HCS08 V3.1，使用C語言和匯編語言進行開發(fā)。

移動設(shè)備使用windows mobile設(shè)備。具體開發(fā)環(huán)境為：Microsoft Visual Studio 2005+SP1+Windows Mobile 6 professional SDK+ .Net Compact Framework 2.0 SP2。

4.ZigBee模塊程序流程

目前，嵌入式系統(tǒng)有三種主流架構(gòu)解決方案：基于中斷的多任務(wù)模擬、前后臺系統(tǒng)和實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。“中斷模擬多任務(wù)”會導致系統(tǒng)丟失中斷信息，大大破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以這種方法是不建議使用的。

多任務(wù)實時操作系統(tǒng)是目前最成熟而且最合理的解決方案，但是實時操作系統(tǒng)一般為第三方提供，需要付費，而且就像uCOS-II這樣的開源系統(tǒng)也不再免費，若在沒有獲得許可的情況之下使用，可能會涉及到版權(quán)糾紛。

而自己開發(fā)實時操作系統(tǒng)，研發(fā)開銷太大，另外，一些功能簡單或者對實時性要求不高的系統(tǒng)，根本沒有必要上實時操作系統(tǒng)。因此，在實際開發(fā)中，很有可能會采用簡單的前后臺系統(tǒng)。

前后臺系統(tǒng)的基本概念是“前臺中斷，后臺循環(huán)”。

前后臺系統(tǒng)的基本思想是：硬件中斷函數(shù)中只做非常少量而且是絕對必須的操作：如設(shè)置中斷寄存器、保存數(shù)據(jù)寄存器等，然后置后臺標志位，隨即退出中斷。這些操作稱為“前臺操作”。

而后臺操作是一個開放中斷的無限循環(huán)。在循環(huán)中檢查各后臺標志位，如果某一標志位被置位，則說明有中斷發(fā)生，立即調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)任務(wù)，這些任務(wù)被稱為“后臺操作”。

在ZigBee模塊的嵌入式軟件開發(fā)中，我們使用“前臺中斷，后臺循環(huán)”的架構(gòu)。主程序流程如下圖4所示：

圖4主程序流程圖

TargetInit()執(zhí)行系統(tǒng)初始化操作，主要包括HCS08的IO、UART和Timer等模塊的初始化。ConfigInit()執(zhí)行配置初始化操作，主要包括SMAC協(xié)議和串口通信協(xié)議配置。

ScheduleLoop()為主調(diào)度循環(huán)，根據(jù)狀態(tài)來執(zhí)行不同的任務(wù)，如下圖5所示。其中的SYS_FEED_DOG()是指喂看門狗操作。

圖5 主調(diào)度循環(huán)流程圖

5. 移動設(shè)備應(yīng)用程序流程

在移動設(shè)備上運行的用戶應(yīng)用程序，主要執(zhí)行信息交互和顯示功能。進一步說，用戶要通過UI將命令發(fā)送給ZigBee模塊，同時，移動設(shè)備將ZigBee模塊的情況通過UI呈現(xiàn)給用戶。考慮到移動端開發(fā)的便捷性，windows mobile平臺是一個不錯的選擇。在Microsoft Visual Studio 2005的IDE下，安裝一個最新的Windows Mobile 6 professional SDK，配合自帶的Emulator就可以進行開發(fā)和調(diào)試。由于本人比較熟悉C++，所以我選用了native code進行開發(fā)，建立一個基于對話框的MFC工程，將需要的控件加入對話框，包括Edit Control, Static Text, Button和Check box等等。具體流程如下圖6所示。

圖6 移動設(shè)備應(yīng)用程序流程圖

其中的對話框初始化包括了界面的初始化，要強調(diào)的是串口的初始化。我們這里采用的串口參數(shù)如下：速率9600bps，1個停止位，無奇偶校驗。

6.模擬器調(diào)試

測試時，采用windows mobile 6 professional emulator。同時，將PC機上的COM1口映射到emulator上，來進行串口通信。配置方法是，在emulator中，選擇”File”下的”Configure”菜單，在”Peripherals”的”Serial port 0”的下拉條中，選擇”COM1”。如圖7所示：

圖7模擬器的串口映射