移动设备中ZigBee接口的实现

2011-04-07 22:08:28来源: EEWORLD

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

关键字:移动设备  ZigBee接口

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/wltx/2011/0407/article_5255.html
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