一种基于ZigBee无线网络项目教学平台的构建

郭晓科，宋 烨 ，练 斌

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

一种基于ZigBee无线网络项目教学平台的构建

郭晓科，宋 烨 ，练 斌

(长沙航空职业技术学院，湖南 长沙 410124)

针对高职“通信技术课程”教学的需要，设计一种基于ZigBee无线网络项目教学平台，采用CC2530射频芯片。教学平台研发包括三部分，硬件环境的设计，软件环境的搭建，教学项目资源的开发，教学平台应用于实践教学中可以提高学生工程开发能力。

无线网络；ZigBee；CC2530;教学平台

高职学生在学习通信技术这门课程的时候，由于通信技术这门课程本身难度高，数学公式多，比较抽象，一直以来难于进行项目化、模块化教学，主要是难于找到一个合适载体。学生在学习这门课程的过程中感觉难度大、太抽象、难理解，学习效果差，只能把这门课程当做一门扩展知识面的课程，感觉它的实用性很小。但实际并非如此，这门课是通信专业必修课，作为其他电子类专业，如果要做通信相关的工作，也必须对其进行了解。所以如何让学生掌握这一门课程迫在眉睫，而ZigBee做为一种新兴发展起来的无线网络技术，正在快速进入很多领域，是目前发展的热点之一。ZigBee是一种分层体系结构，又是基于8051基础之上的，完全兼容8051的语言与开发平台，所以学生完全可以进行应用层开发。如何能把ZigBee技术与通信技术这门课程结合起来，以ZigBee为项目载体，让学生在学习过程中掌握通信技术、无线网络技术、积累项目开发经验，为学生以后的职业生涯打下基础，对于学生将来的就业与发展是非常有帮助的。基于以上原因，从实际教学需求出发，开发一款基于ZigBee无线网络教学平台，采用底板和核心板分离的双芯片设计方案，并在此教学平台上开发了项目教学案例。

1 教学平台的介绍

ZigBee无线网络项目教学平台是基于CC2530解决方法，参考了TI 提供的技术资料，但并未全部遵循他们设计方案，而是裁剪掉一些华而不实的东西，改进了原电路，方便调试开发，大大降低了开发难度，提高开发效率，特别适合高职学生使用。设计此教学平台目的就是为了让学生通过项目制作直观了解通信技术、无线网络技术，让学生充分掌握ZigBee架构体系及通信的机制，能在此平台上进行项目开发，掌握C语言的编程技术。所以此平台的项目教学案例必须要优化选择，具备可操作性，内容呈现阶梯性、开放性、扩展性。

ZigBee无线网络项目教学平台主要包括了硬件资源、软件资源、项目教学资源三大部分。每套硬件设备包括两个底板和两个核心板，一个底板和一个核心板配成一对，自带2个USB模块、一个仿真器、LED 指示灯、1 个复位，3个普通按键、minUSB与DC2.1供电、Debug 接口、LCD接口、4个传感接口。软件资源包括，软件开发平台、程序下载器、仿真驱动、USB转串口驱动、协议栈、协议包捕获与分析、上位机软件等。项目教学资源主根据由浅入深，逐步推进的原理，可以分为三个档次，基础教学项目、扩展教学项目、实用教学项目。

2 教学平台硬件环境的构建

ZigBee网络是一种可扩展的、自恢复、自组织的无线网络，能管理多种数据传输模式[1,2]。为了降低成本，依据IEEE802.15.4标准，ZigBee网络划分成三类设备，即ZigBee路由器、ZigBee协调器、ZigBee终端设备。ZigBee无线网络教学平台根据配置不同，可以实现不同节点功能，可以作为教学演示与项目开发。教学平台主要由核心板与底板组成，核心板与底板通过插针链接在一起，可以分离、灵活方便、节省成本。核心板主要作用是用于2.4G信号接收与发射，底板是对核心板的外围开发、人机互动、方便控制、便于开发，底板主要由电源电路，LED电路，LCD电路，USB转串口电路，按键电路，Debug接口电路，传感电路，以及外围扩展接口构成，如图1所示。

图1 ZigBee无线网络教学平台

ZigBee模块核心板是实现无线通信的基础，采用的射频芯片是Chipcon公司推出的CC2530，该芯片是TI推出的专门针对ZigBee协议标准的射频SOC，并且同时推出了针对该款芯片的ZigBee协议栈。它主要包含一个高性能射频收发器和一颗工业级小巧高效的8051控制器。微控制器主要包括存储器及外围设备，并为其它模块提供电源管理、时钟分配和测试等重要功能。它上面的资源有1个8位8051MCU、模数转换器件ADC、256KB可编程闪存、8KB的RAM、定时器Timer、32kHz晶振的休眠模式定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器电路、上电复位电路、掉电检测电路、以及21个可编程I/O引脚[3]，核心板如图2所示。

图2 ZigBee模块核心板

ZigBee底板设计时考虑节省成本，灵活便捷的原则，电源供电提供USB和DC2.1两种方式、接口通用，为了笔记本用户使用方便，设计了USB转串口的功能，只要装上了驱动，就可以实现和核心板通信功能。底板设计了8个LED指示电路，用于数据收发显示多种功能，4个按键，LCD接口(并支持OLED)，显示清晰，调试所见即所得；Debug接口电路、在线下载、在线调试功能。板上资源丰富，通用传感器插上就能使用，所有I/O口都进行了扩展，便于外接电路与二次开发，底板如图3所示。

图3 ZigBee模块底板

3 教学平台软件环境的构建

软件设计主要包括 2 个部分:ZigBee节点软件和上位机监控软件[4]。ZigBee 节点开发有两款软件可以选择Keil C51与IAR集成开发环境。Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的51系列兼容单片机 C 语言软件开发系统， 提供丰富的库函数和界面友好的集成开发调试工具，可以完成编辑、 编译、 连接、 调试、 仿真等整个开发流程[5]。IAR集成开发环境, 它是瑞典IAR System公司推出的一种的嵌入式系统开发工具[6], 它使用户能够充分有效的开发并管理嵌入式应用项目，嵌入式IAR 适用于8位、16位以及32位的微处理器和微控制器，通过 IAR 工具用户可以大大节省工作时间。这里两款软件都可以使用，但推荐使用IAR集成开发环境，只需按照安装提示一步步操作，即可完成环境配置。

节点程序编译好以后，就要下载到的核心板上去和在线调试，Smart RF Flash Programmer和仿真器是很好的帮手，SmartRF 闪存编程器可用于对德州仪器(TI) 射频片上系统器件中的闪存进行编程，按照安装提示操作即可。安装 USB 转串口驱动，现在的笔记本电脑或台式电脑很多都不带串口，USB 转串口成了开发人员必不可少的工具，开发板集成了 USB 转串口，安装驱动就可使用。安装ZStack协议栈，TI提供的半开源的协议栈，里面包括一些文档和例程，Zigbee组网实验都可以基于里面的例程来修改，主要学习Zstack和使用Zstack的函数，这是将来学习无线通信的基础和重点。Packet Sniffer软件包监听器是 PC端 应用软件程序，用于显示和存储使用监听射频器件捕获的射频软件包。射频器件通过 USB 与 PC 相连，支持各种射频协议，软件包监听器可以对软件包进行过滤和解码，并以简便的方式显示它们，同时提供用于过滤和存储为二进制文件格式的选项。除此之外在项目开发中，还可能用到UltraEdit、Source Insight 3.5、Beyond Compare、VC助手等辅助软件。

4 教学资源的介绍

教学资源分为基础教学项目、扩展教学项目、实用教学项目，基础教学项目主要是为了让学生熟悉CC2530的内部结构、编程方法、编程技巧，使用C语言作为开发语言。目前开发项目有GPIO输出控制实验-控制Led亮灭、按键控制LED亮灭、按键控制LED跑马灯、外部中断控制LED倒流水灯、AD采集cc2530温度串口显示、MQ-2气体传感器、温度传感器DS18B20、人体红外传感器、光敏和热敏传感器等等。扩展与实用教学项目是为了进一步提高学生能力，锻炼学生实战开发技能，属于深入与拔高阶段，目前已经开发了部分项目，后续还有项目计划开发。

5 结论

该教学平台的研发，对于提高学生技能与掌握通信的机制有很大的帮助，目前扩展与实用项目的开发还不足，需要以后不断推出新项目，以补充目前的不足，需要后续不断努力。

[1] 肖俊芳. 无线传感器网络的若干关键技术研究 [D]. 上海: 上海交通大学, 2009.

[2] 郑凯. 基于ZigBee无线传感器技术的心电监护网络的研究 [D]. 吉林: 吉林大学, 2008.

[3] CC2530中文数据手册完全版[Z]. Texas Instruments. 2009-04.

[4] 陶为戈,陈兴瑞,贾中宁,等. 一种 ZigBee 无线传感器网络教学实验平台的构建[J]. 实验室研究与探索,2012,(12).

[5] ARM Ltd. Getting Started Creating Applications with μVision4[EB/OL]. http:/ /www.keil. com/product/ brochures/uv4，2013-08-11．

[6] 许建国,郭麦成,苟培培. 基于ARM 嵌入式系统的虚拟仿真[J]. 电脑知识与技术,2007,(3).

[编校：杨英伟]

Construction of a Wireless Network Project TeachingP Based on ZigBee

GUO Xiaoke,SONG Ye,LIAN Bin

(ChangshaAeronauticalVocationalandTechnicalCollegeChangshaHunan410124)

According to the vocational teaching requirements of communication technology course, a wireless network project teaching platform of ZigBee based on CC2530 RF chip was developed. Teaching platform development includes three parts, namely, the design of hardware environment, the building of software environment, and the development of teaching resources for the project. The application of teaching platform in practice teaching can improve the students' ability of engineering development.

wireless network; ZigBee; CC2530; teaching platform

2015-02-14

郭晓科(1981- )，男，陕西宝鸡人，讲师，工学硕士，研究方向为嵌入式系统、通信技术。

本文为2013年湖南省高等学校教学改革项目(高职)“基于ZigBee的通信技术模块化教学改革研究”(编号：YC1104)阶段性研究成果。

TP212.9

A

1671-9654(2015)01-023-04