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移动设备中ZigBee接口的实现

引言

ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，是一种介于RFID和Bluetooth之间的技术提案。ZigBee一般采用IEEE 802.15.4收发器与ZigBee协议栈的组合，在数千个微小的节点之间相互协调实现通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。因此，ZigBee在传感器网络、智能家居、工业自动化等领域有广泛的应用。市场研究公司NSR曾发布报告指出，首批具备ZigBee功能的产品将于2006年第一季在北美、欧洲和亚太地区展开，该机构并预估，到2010年，全球将可望部署5.8亿个ZigBee组件，成长非常快速。同样，市调机构In-Stat也曾在2005年发布新闻指出，五年内，ZigBee成长将超过200%。但是，由于各家使用ZigBee技术的设备商采用的应用协议不同，所以目前市场上很少通用的测试设备，执行包括信道检测，数据监听，发送功率等功能。本文介绍了一种在移动设备中实现ZigBee接口的方法，以windows mobile 6.0 Professional为平台，在仿真器中给出了演示，同时，在HP iPaq rx3700的真机下测试通过。

1.      系统组成及功能

如图1所示，按照功能，系统可以分成ZigBee模块和移动设备这两个部分，它们通过串口进行通信。ZigBee模块负责IEEE 802.15.4信号的发送和接收，移动设备负责数据的处理，并向用户提供有好的UI。

图1系统组成框图

系统的功能如下：

1.      信道检测。通过扫描，完成ZigBee技术2.4GHz频段16个信道的状态检测，并返回给UI进行显示。

2.      发送/接收信道设置。用户通过UI给ZigBee模块发送指令，使之通过设定的信道来发送和接收数据。

3.      发送/接收数据。用户可以用文本方式或者HEX方式发送数据，并且可以用一定间隔进行连续发送。

4.      发送功率设置。用户发送数据时，通过UI给ZigBee模块发送指令，可以设定发送的功率大小。

2.      结构模型

2.1硬件结构模型

如图1所示，ZigBee模块选用Freescale的HCS08GB60为MCU，MC13192为IEEE 802.15.4收发器，它们之间通过SPI接口进行通信。移动设备通过串口和ZigBee模块中的HCS08GB60进行通信。

2.2网络结构模型

ZigBee网络可以使用Star、Mesh和Mesh-Tree这三种拓扑结构，具体可以参考图2.

图2 ZigBee网络拓扑结构模型

从成本上来考虑，无线部分采用了Freescale免费提供的SMAC（Simple MAC）。SMAC给出了物理层和MAC层的API函数，包括工作状态转换、信道选择、发送功率选择、时钟选择、信道能量和接收信号能量指示（RSSI）等等。该工程文件以Source的方式给出，而不是lib，且可以直接从Freescale网站上下载得到。

3.      软硬件设计平台

硬件设计软件采用经典的Protel99se，主要涉及ZigBee模块的设计。设计输出原理图和PCB图如下图3所示：

图3 硬件设计输出图

嵌入式开发环境采用CodeWarrior for HCS08 V3.1，使用C语言和汇编语言进行开发。

移动设备使用windows mobile设备。具体开发环境为：Microsoft Visual Studio 2005+SP1+Windows Mobile 6 professional SDK+ .Net Compact Framework 2.0 SP2。

4.      ZigBee模块程序流程

目前，嵌入式系统有三种主流架构解决方案：基于中断的多任务模拟、前后台系统和实时多任务操作系统。“中断模拟多任务”会导致系统丢失中断信息，大大破坏系统的稳定性，所以这种方法是不建议使用的。

多任务实时操作系统是目前最成熟而且最合理的解决方案，但是实时操作系统一般为第三方提供，需要付费，而且就像uCOS-II这样的开源系统也不再免费，若在没有获得许可的情况之下使用，可能会涉及到版权纠纷。

而自己开发实时操作系统，研发开销太大，另外，一些功能简单或者对实时性要求不高的系统，根本没有必要上实时操作系统。因此，在实际开发中，很有可能会采用简单的前后台系统。

前后台系统的基本概念是“前台中断，后台循环”。

前后台系统的基本思想是：硬件中断函数中只做非常少量而且是绝对必须的操作：如设置中断寄存器、保存数据寄存器等，然后置后台标志位，随即退出中断。这些操作称为“前台操作”。

而后台操作是一个开放中断的无限循环。在循环中检查各后台标志位，如果某一标志位被置位，则说明有中断发生，立即调用相应的中断服务任务，这些任务被称为“后台操作”。

在ZigBee模块的嵌入式软件开发中，我们使用“前台中断，后台循环”的架构。主程序流程如下图4所示：

图4主程序流程图

TargetInit()执行系统初始化操作，主要包括HCS08的IO、UART和Timer等模块的初始化。ConfigInit()执行配置初始化操作，主要包括SMAC协议和串口通信协议配置。

ScheduleLoop()为主调度循环，根据状态来执行不同的任务，如下图5所示。其中的SYS_FEED_DOG()是指喂看门狗操作。

图5 主调度循环流程图

5.      移动设备应用程序流程

在移动设备上运行的用户应用程序，主要执行信息交互和显示功能。进一步说，用户要通过UI将命令发送给ZigBee模块，同时，移动设备将ZigBee模块的情况通过UI呈现给用户。考虑到移动端开发的便捷性，windows mobile平台是一个不错的选择。在Microsoft Visual Studio 2005的IDE下，安装一个最新的Windows Mobile 6 professional SDK，配合自带的Emulator就可以进行开发和调试。由于本人比较熟悉C++，所以我选用了native code进行开发，建立一个基于对话框的MFC工程，将需要的控件加入对话框，包括Edit Control, Static Text, Button和Check box等等。具体流程如下图6所示。

    图6 移动设备应用程序流程图

其中的对话框初始化包括了界面的初始化，要强调的是串口的初始化。我们这里采用的串口参数如下：速率9600bps，1个停止位，无奇偶校验。

6.      模拟器调试

测试时，采用windows mobile 6 professional emulator。同时，将PC机上的COM1口映射到emulator上，来进行串口通信。配置方法是，在emulator中，选择”File”下的”Configure”菜单，在”Peripherals”的”Serial port 0”的下拉条中，选择”COM1”。如图7所示：

图7模拟器的串口映射

程序主界面如下图8所示：

 图8 程序主界面

程序主界面的左上方是接收数据显示区，左下方是发送数据输入区。Receive Enable是接收允许操作，如果不选中的话，即使有数据接收到，也不会显示在界面上。Hex Format是指十六进制显示选项，考虑到某些发送数据或者接收数据采用十六进制形式，而非ASC码格式，所以提供了这个选项。界面的右方有”CH Scan”、”CH Set”、”Power Set”和”Data Send”四个按钮，分别执行”信道扫描”、”信道选择”、”发送功率设置”和”数据发送”功能。界面下方的彩色滚动条是程序正常运行的指示。

7.      实物调试

由于本人手头没有windows mobile 6的设备，只有一个HP iPaq rx3700的windows mobile2003se设备，因此无法将生成的可执行文件直接在设备上调试。好在VS2005下，我们可以方便地进行平台转换。虽然本工程是建立在windows mobile 6 professional SDK的platform之上的，但是也可以通过”change target platform”来改变调试目标平台。因此，我只要选择”Pocket PC 2003(ARMV4)”平台和”Pocket PC 2003 Device”就可以将程序下载到真机上进行调试了。实物测试如下图9所示，HP iPaq rx3700通过黑色的串口转接线和ZigBee模块相连。右边的ZigBee模块通过电池供电。

图9实物测试图

目前，具备串口的windows mobile设备还是比较少的，但是，具备CF卡接口的windows mobile设备还是可以找到的。因此，我还做了一个CF卡接口的ZigBee模块，具体如下图10所示：

      图10 CF卡接口的ZigBee模块

结束语

ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，并且在无线传感器网络(WSN)等领域的应用越来越广泛。本文介绍了一种在移动设备中实现ZigBee接口的方法，以windows mobile 6.0 Professional为平台，在仿真器中给出了演示，同时，在HP iPaq rx3700的真机下测试通过。