基于嵌入式技術(shù)技能大賽的ZigBee通信協(xié)議研究

季 美，黃 琳

（成都工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 新華三芯云產(chǎn)業(yè)學(xué)院，四川 成都 610218）

0 引言

嵌入式技術(shù)應(yīng)用開發(fā)是全國技能院校技能大賽高職組的常規(guī)賽項［1］。通過競賽，實現(xiàn)嵌入式技術(shù)行業(yè)企業(yè)資源與教學(xué)資源的有機融合，使高職院校在專業(yè)建設(shè)、課程建設(shè)、人才培養(yǎng)方案和人才培養(yǎng)模式等方面，跟蹤社會發(fā)展的最新需要，引領(lǐng)相關(guān)專業(yè)的教育教學(xué)改革與專業(yè)建設(shè)，縮小人才培養(yǎng)與行業(yè)需求的差距，深化專業(yè)教學(xué)改革［2］。

賽項涵蓋的知識點有：嵌入式微控制器編程技術(shù)、Android應(yīng)用開發(fā)技術(shù)、開源硬件編程技術(shù)、二維碼采集與識別技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、RFID技術(shù)、無線傳感技術(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)、機器視覺技術(shù)、紅外通信技術(shù)、語音控制技術(shù)、嵌入式人工智能與邊緣計算技術(shù)等。

本文選取其網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)中ZigBee無線傳感器技術(shù)，對賽項中使用到的ZigBee通信協(xié)議進(jìn)行研究和分析，讓參與者能夠更加深入理解賽項中ZigBee通信的過程與原理。

1 ZigBee無線通信設(shè)備介紹

嵌入式技術(shù)應(yīng)用開發(fā)競賽中使用到ZigBee通信的設(shè)備主要包括AGV智能小車與沙盤標(biāo)志物。其中，具有ZigBee功能的沙盤標(biāo)志物包括LED顯示標(biāo)志物、語音播報標(biāo)志物、無線充電標(biāo)志物、ETC系統(tǒng)標(biāo)志物、道閘標(biāo)志物、TFT顯示標(biāo)志物、智能車庫(A/B）標(biāo)志物、智能交通燈(A/B）標(biāo)志物等。

AGV智能小車模仿現(xiàn)代自動智能汽車設(shè)計，具有主動的環(huán)境感知能力。其構(gòu)成包括通信顯示板、開發(fā)板、電機驅(qū)動板、核心板、云臺攝像頭、任務(wù)板與循跡板。

其中，通信顯示板載ZigBee無線模塊與WiFi模塊用于與移動設(shè)備進(jìn)行無線通信，攝像頭進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，AGV平臺、ZigBee功能標(biāo)志物進(jìn)行無線通信。

LED顯示標(biāo)志物只接受消息不進(jìn)行消息的回傳，主要完成計時與距離顯示功能。

語音播報標(biāo)志物主要完成隨機語音播報或者指定文字語音播報，回傳信息為語音合成的狀態(tài)。

無線充電標(biāo)志物主要功能為無線充電開關(guān)的控制，與LED顯示標(biāo)志物一樣也不進(jìn)行消息的回傳。

ETC系統(tǒng)標(biāo)志物模擬高速不停車收費系統(tǒng)，回傳信息為當(dāng)前ETC系統(tǒng)閘門狀態(tài)，當(dāng)閘門開啟后10 s自動關(guān)閉閘門。

道閘標(biāo)志物主要功能為道閘閘門開關(guān)控制與車牌數(shù)據(jù)顯示，回傳信息為當(dāng)前閘門的開閉的狀態(tài)。

TFT顯示標(biāo)志物主要功能為顯示圖片模式，可以是顯示車牌、圖形、二維碼等，無回傳信息。

智能車庫(A/B）標(biāo)志物主要功能為模擬立體車庫升降控制，立體車庫共4個擋位，最低位置為一擋，最高位置為四擋，擋位調(diào)節(jié)可通過按鈕或無線控制?；貍餍畔楫?dāng)前車庫層數(shù)及前后光電開關(guān)狀態(tài)。

智能交通燈(A/B）標(biāo)志物主要功能為10 s倒計時隨機交通信號燈顯示或者按鍵控制固定交通信號燈顯示，回傳信息為是否進(jìn)入識別模式。

2 自定義通信協(xié)議研究

AGV智能小車與沙盤標(biāo)志物通過特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行通信［3］，由于多個沙盤標(biāo)志物采用一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來與AGV智能小車進(jìn)行通信，在此僅選擇道閘標(biāo)志物來進(jìn)行說明。

2.1 道閘標(biāo)志物控制數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

當(dāng)AGV智能小車前進(jìn)至道閘標(biāo)志物前時，需要向道閘標(biāo)志物發(fā)送控制指令來操控道閘標(biāo)志物進(jìn)行開合，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 競賽平臺向道閘標(biāo)志物發(fā)送控制指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，主指令與副指令的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明如表2所示。

表2 指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明

2.2 道閘標(biāo)志物回傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

當(dāng)?shù)篱l標(biāo)志物接受并執(zhí)行了后，需要給AGV智能小車回傳控制消息，其回傳消息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表3所示。

表3 道閘標(biāo)志物向競賽平臺回傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

其中，副指令中第二位的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)容如表4所示。

表4 道閘標(biāo)志物回傳數(shù)據(jù)副指令第二位說明

3 ZigBee協(xié)議分析

3.1 星型網(wǎng)絡(luò)的建立

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中存在3種類型的設(shè)備［4］，分別為ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器與ZigBee終端設(shè)備。當(dāng)ZigBee協(xié)調(diào)器上電時，在其允許的無線信道上發(fā)射信號，從而形成了一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此時，ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備可以通過該ZigBee協(xié)調(diào)器或已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的ZigBee路由器連入。當(dāng)ZigBee終端設(shè)備不在信號范圍內(nèi)時，可以通過ZigBee路由器與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，從而能夠提升通信的距離。與此同時，ZigBee終端設(shè)備是不能傳遞節(jié)點間消息的，只能發(fā)出和接受屬于自己的消息。ZigBee協(xié)調(diào)器是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的中心設(shè)備，負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的安全。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)有多種結(jié)構(gòu)，譬如樹形網(wǎng)絡(luò)、星型網(wǎng)絡(luò)、Mesh網(wǎng)絡(luò)，這里采用星型網(wǎng)絡(luò)。小車上面的ZigBee模塊充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器功能，沙盤標(biāo)志物中的各個使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的設(shè)備充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.2 通信過程流程圖

智能小車上電后，ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立完成，隨后不同的沙盤標(biāo)志物開始加入網(wǎng)絡(luò)，這樣星型網(wǎng)絡(luò)便建立完成。

當(dāng)智能小車進(jìn)行到道閘標(biāo)志物時，智能小車像道閘標(biāo)志物發(fā)送消息，消息格式如表1所示。當(dāng)?shù)篱l標(biāo)志物收到AGV智能小車發(fā)送的消息后，道閘標(biāo)志物進(jìn)行控制后，回傳消息給AGV智能小車，其消息格式如表3所示。通過分析表3中副指令的情況，AGV智能小車作出是否通過該標(biāo)志物的決策。至此，整個通信過程便結(jié)束了。

其他沙盤標(biāo)志物的通信過程同道閘標(biāo)志物類似。

AGV智能小車的程序流程如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器工作流程

道閘標(biāo)志物的程序流程如圖3所示。

圖3 道閘標(biāo)志物程序流程

4 結(jié)語

ZigBee無線傳感器技術(shù)涵蓋了比賽中沙盤標(biāo)志物與AGV智能小車之間的無線通信問題。本文介紹了嵌入式比賽中關(guān)于ZigBee通信的標(biāo)志物與AGV小車的聯(lián)網(wǎng)過程與通信過程，通過自定義通信協(xié)議讓AGV智能小車與沙盤標(biāo)志物之間通信過程更加清晰。由于沙盤標(biāo)志物與AGV智能小車通信過程基本一致，本文重點以道閘為例介紹了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立、組網(wǎng)等通信過程，對學(xué)習(xí)與參加比賽的學(xué)生有一定的指導(dǎo)意義。