Zigbee無線裸機通信研究與實踐

王雪

摘要：本文從學(xué)習(xí)實踐角度出發(fā)，分析了Zigbee無線通信協(xié)議的總體發(fā)展情況，指出了目前在Zigbee應(yīng)用過程中出現(xiàn)的一些問題，設(shè)計了擺脫Z-Stack協(xié)議棧的裸機無線通信應(yīng)用框架，編寫了關(guān)鍵發(fā)送模塊和接收模塊代碼示例，供廣大學(xué)習(xí)者參考使用。適合剛剛?cè)腴T并有志學(xué)習(xí)Zigbee通信的開發(fā)者使用。

關(guān)鍵詞：Zigbee無線通信；信道；PANID

中圖分類號：TN925 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）06-0029-02

1 Zigbee概述

ZigBee[1]（紫蜂協(xié)議）是一種基于IEEE802.15.4標準的無線通信協(xié)議，名稱來源于蜜蜂的八字舞。它最大的特點就是低功耗、可組網(wǎng)，特別是帶有路由的可組網(wǎng)功能，理論上可以使ZigBee覆蓋的通訊面積無限擴展，在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、醫(yī)療護理、安全預(yù)警、目標追蹤等應(yīng)用場合已經(jīng)展現(xiàn)出廣闊的市場前景。

與藍牙、WLAN等無線通信技術(shù)相比，Zigbee網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上、功能上都更為強大和復(fù)雜，在應(yīng)用開發(fā)過程中，需要植入?yún)f(xié)議棧來完成相關(guān)功能。CC2530芯片采用的協(xié)議棧Z-Stack采用分層結(jié)構(gòu)，目的是為了使協(xié)議棧各層能夠獨立，每一層向上提供一些服務(wù)，在目錄結(jié)構(gòu)中包括14個文件，需要配合操作系統(tǒng)抽象層（OSAL）才能夠運行。

2 存在的問題

在Zigbee的應(yīng)用過程中，Z-Stack協(xié)議棧因其自身的復(fù)雜性，使得許多學(xué)習(xí)者在初期上手十分困難，對協(xié)議棧各層次及相關(guān)術(shù)語也比較陌生，致使學(xué)習(xí)效果不理想。鑒于這種情況，本文目的是在系統(tǒng)講解Z-Stack之前，先以裸機的方式實現(xiàn)射頻無線通信，從底層寄存器的使用層面來實現(xiàn)無線射頻通信，讓學(xué)習(xí)者有一個全面的感性認識，有利于理解和接受Z-Stack協(xié)議棧。

3 硬件結(jié)構(gòu)

由發(fā)送端和接收端來組成，兩端的硬件結(jié)構(gòu)相同，均為電源系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)、CC2530和天線構(gòu)成，如圖1所示。

4 發(fā)送端設(shè)計

發(fā)送端工作流程，如圖2所示。

射頻初始化是無線通信的關(guān)鍵步驟，主要設(shè)置內(nèi)容包括設(shè)置信道號、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)PANID和網(wǎng)絡(luò)地址的設(shè)置。Zigbee無線通信，需要高頻的載波來提供發(fā)射效率，Zigbee模塊之間要可以正常的收發(fā)，接收模塊必須把接收頻率設(shè)置和發(fā)射模塊的載波頻率一致。Zigbee在2.4G頻段有16個信道可以進行通信，這些載波的頻率落在某些頻率區(qū)段，我們把這些區(qū)段叫做頻段。每個信道的頻率差是5MHz。從11號信道開始計數(shù)，信道排列如表1所示。

Zigbee在發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)組格式是相對固定的，第一個字節(jié)0x0C代表后面還有12個字節(jié)要發(fā)送；第5、6個字節(jié)表示的是PANID；第7、8個字節(jié)是無線模塊目標設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址 0xBEEF；第9、10就是本地模塊的網(wǎng)絡(luò)地址；第11個字節(jié)是要發(fā)送的數(shù)據(jù)；第12、13個字節(jié)是CRC碼，硬件自動追加。

5 接收端設(shè)計

發(fā)送端工作流程，如圖3所示。

6 結(jié)語

本文以項目式的方法出發(fā)，以裸機運行的方式實現(xiàn)了Zigbee的無線射頻通信。并對主要的寄存器進行了配置示范。通過這樣的方式，讓初次接觸Zigbee的人們能夠直觀地感受到無線通信的實驗效果，并懂得底層硬件的工作原理，為日后Z-Stack協(xié)議棧的學(xué)習(xí)和理解打下堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]杜軍朝，劉惠，劉傳益，馬海潮.Zigbee技術(shù)原理與實戰(zhàn)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017：1-4.

[2]廖建尚.物聯(lián)網(wǎng)平臺開發(fā)及應(yīng)用—基于CC2530和ZigBee[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016：19-23.

Abstract：This paper starts from the perspective of learning and practice， analyzes the overall development of Zigbee wireless communication protocol， points out some problems in the application process of Zigbee， designs a bare metal wireless communication application framework to get rid of the Z-Stack protocol stack， and writes Key send module and receive module code examples for reference by the majority of learners. Suitable for developers who are just getting started and interested in learning about Zigbee communications.

Key words：zigbee wireless communication； channel； PANID