面向短距離低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線ZigBee系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

文/張啟揚(yáng)

相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)，ZigBee作為新興的短距離、低功耗無(wú)線通信技術(shù)，更加適用于能耗要求低、安全要求高、短距離無(wú)線連接穩(wěn)定性要求高的設(shè)備與設(shè)備之間的通信。文章通過(guò)對(duì)面向短距離低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線ZigBee系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)于推動(dòng)ZigBee技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)更深入應(yīng)用具有重要的意義。

1 ZigBee概述

在短距離通信方面，最為人們所熟知的當(dāng)屬藍(lán)牙技術(shù)，但如今隨著智能家居以及工業(yè)控制方面的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的藍(lán)牙技術(shù)則顯得力不從心，ZigBee技術(shù)由此應(yīng)運(yùn)而生。ZigBee作為一種新興的短距離、低功耗無(wú)線通信技術(shù)，采用 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)，本身具有低功耗、低速率、低成本、安全性高等特點(diǎn)，非常適合于自動(dòng)控制及遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，能夠直接嵌入各種設(shè)備中進(jìn)行應(yīng)用。ZigBee在通信方面采用的是自組網(wǎng)方式，只有在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，不同ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊終端便能夠自動(dòng)組合在一起，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，這種便捷的網(wǎng)絡(luò)通信方式能夠?yàn)橛脩籼峁└玫臒o(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強(qiáng)的可應(yīng)用性。

圖1：整體節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)

圖2：STM32L151電路原理圖

2 無(wú)線ZigBee系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)于面向短距離低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線ZigBee系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需要，本次設(shè)計(jì)的是基于 Zig Bee 的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，因此需要以此為依據(jù)，做好功能模塊確定與分類(lèi)，然后分析這些功能模塊的作用，并確定最終模塊數(shù)目。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)搜集相關(guān)資料，來(lái)確定硬件系統(tǒng)所需要的芯片以及芯片類(lèi)型、型號(hào)等，借助進(jìn)行電路設(shè)計(jì)與PCB打板，最后進(jìn)行電路板的測(cè)試。本次在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)上選擇了Altium Designer 13硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)，借助該平臺(tái)，完成了無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件的原理圖及與PCB 制作。具體來(lái)說(shuō)，首先針對(duì)節(jié)點(diǎn)整體模塊，在無(wú)線ZigBee系統(tǒng)中，共有兩類(lèi)節(jié)點(diǎn)，一類(lèi)是FFD設(shè)備，一類(lèi)是RFD設(shè)備，其中前者作為一個(gè)協(xié)調(diào)器使用，后者則作為一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，因此在器件選擇上，兩者基于功能不同，選擇也會(huì)帶有一定差異性，但二者在結(jié)構(gòu)上基本一致，節(jié)點(diǎn)功能模塊也基本相同。在整體硬件結(jié)構(gòu)上包括通信模塊、感知器、微處理器、程序調(diào)試下載及串口。整體節(jié)點(diǎn)模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

從圖1中我們可以認(rèn)識(shí)到，對(duì)于傳感節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)而言，主要使用芯片有STM32L151、ZICM2410。終端節(jié)點(diǎn)特有模塊為DHT11溫濕度采集模塊，協(xié)調(diào)器特有模塊為SIM900B，主要用于GPRS 通信。在管理中心，接收器在應(yīng)用上除了要使用具備GPRS 功能的SIM900B，另外還要使用 RS485，用于串口通信。在具體電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上，文章以STM32L151 芯片微處理模塊為例， STM32L151 芯片及外圍電路原理圖如圖二所示，從而圖2中我們可以認(rèn)識(shí)到， STM32L151 芯片的 VDD 系列及 VLCD 引腳主要負(fù)責(zé)向芯片供電，因此VDD必需電壓穩(wěn)定，VDD引腳與 VCC 相連，在兩者之間，并聯(lián)有一個(gè)4.7u F的電容，而VSS 系列的引腳全部處于接地狀態(tài)， VDDA通過(guò)13 號(hào)引腳，會(huì)為 ADC 進(jìn)行供電。在本次設(shè)計(jì)中，通過(guò)將整個(gè)板子鋪上一層地線，可以將 VSS 系列引腳間的絕對(duì)差值控制在 50m V 以內(nèi)，確保電壓穩(wěn)定供應(yīng)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)于面向短距離低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無(wú)線ZigBee系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方面，采用的是IAR Embedded Workbench for ARM軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。與此同時(shí)，在WSN 的組網(wǎng)及環(huán)境信息的采集及處理方面，為滿足高效率計(jì)算，需要針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，引入微嵌入式操作系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包含多種，比如u C/OS-II系統(tǒng)、T-Linux 系統(tǒng)、 Win CE系統(tǒng)等，一般需要結(jié)合實(shí)際選擇，本次設(shè)計(jì)選擇了u C/OS-II系統(tǒng)。在具體設(shè)計(jì)方面，首先針對(duì)Zig Bee，使用API函數(shù)應(yīng)用。通過(guò)應(yīng)用該函數(shù)，需要完成以下功能：一是需要將無(wú)線信道進(jìn)行初始化，二是需要對(duì)信道、無(wú)線發(fā)射頻率進(jìn)行設(shè)置；三是要控制好外圍設(shè)備，包括模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）、中斷（Interrupt）等。四是電源管理、五是調(diào)試功能，六是通信安全方面，其是虛擬計(jì)時(shí)功能。另一方面，針對(duì)管理中心軟件設(shè)計(jì)具體內(nèi)容如下：管理中心一般由三部組成，其中一部分是具備GPRS 功能的接收設(shè)備，能夠用于協(xié)調(diào)器通信，針對(duì)接收的所有數(shù)據(jù)，能夠通過(guò) RS485/232，直接發(fā)送至 PC 端。在具體運(yùn)行上，先確定數(shù)據(jù)幀是否有收到，如果確認(rèn)收到，則通過(guò)分析數(shù)據(jù)幀類(lèi)型，完成相關(guān)的處理，如果該數(shù)據(jù)幀為從其他節(jié)點(diǎn)接收，尚未進(jìn)行處理，則需要調(diào)用RS485Snd ，將其發(fā)送至 PC 端；如果已經(jīng)確認(rèn)幀，則對(duì)該幀進(jìn)行標(biāo)記，證明該幀已發(fā)送。如此數(shù)據(jù)幀表示斷開(kāi)連接，則需要初始化 GPRS；最后，對(duì)數(shù)據(jù)幀是否已經(jīng)處理完畢加以判斷，若已經(jīng)完畢，則直接結(jié)束，反之，則重新進(jìn)入新的一輪循環(huán)。針對(duì)于PC 端軟件設(shè)計(jì)，一般分為兩部分，第一部分是串口數(shù)據(jù)接收和存儲(chǔ)，第二部分是數(shù)據(jù)處理和顯示。針對(duì)串口數(shù)據(jù)的接收，可以選擇采用 Real Term 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還要選擇一些基本參數(shù)，即可進(jìn)行使用。在Real Term的幫助下，能夠?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)位置一般在本地磁盤(pán)，便于后續(xù)顯示處理。在具體顯示方面。可以利用相關(guān)的瀏覽器，直接進(jìn)行顯示圖例，其核心代碼來(lái)源于百度商業(yè)前端可視化團(tuán)隊(duì)的開(kāi)源項(xiàng)目 ECharts，在項(xiàng)目的幫助下，能根據(jù)用戶需要自行定制個(gè)性化可視圖表。

3 總結(jié)

綜上所述，如今隨著環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，對(duì)于人們的日常生活也帶來(lái)一定的干擾影響，因此通過(guò)建立基于 Zig Bee 的無(wú)線環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)境污染問(wèn)題，降低其對(duì)人們身體健康的威脅。在實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要從軟硬件兩方面著手，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮系統(tǒng)作用價(jià)值，保護(hù)人們身體健康。