面向短距离低功耗物联网应用的无线ZigBee系统的设计与实现

2019-09-17张启扬

电子技术与软件工程 2019年16期

文/张启扬

相对于蓝牙技术，ZigBee作为新兴的短距离、低功耗无线通信技术，更加适用于能耗要求低、安全要求高、短距离无线连接稳定性要求高的设备与设备之间的通信。文章通过对面向短距离低功耗物联网应用的无线ZigBee系统设计与实现进行分析，对于推动ZigBee技术在物联网中实现更深入应用具有重要的意义。

1 ZigBee概述

在短距离通信方面，最为人们所熟知的当属蓝牙技术，但如今随着智能家居以及工业控制方面的快速发展，传统的蓝牙技术则显得力不从心，ZigBee技术由此应运而生。ZigBee作为一种新兴的短距离、低功耗无线通信技术，采用 IEEE 802.15.4 标准，本身具有低功耗、低速率、低成本、安全性高等特点，非常适合于自动控制及远程控制领域，能够直接嵌入各种设备中进行应用。ZigBee在通信方面采用的是自组网方式，只有在同一个网络范围内，不同ZigBee网络模块终端便能够自动组合在一起，实现互联互通，这种便捷的网络通信方式能够为用户提供更好的无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。

图1：整体节点模块设计

图2：STM32L151电路原理图

2 无线ZigBee系统的设计与实现

2.1 硬件系统设计与实现

针对于面向短距离低功耗物联网应用的无线ZigBee系统的硬件设计方面，需要结合实际应用需要，本次设计的是基于 Zig Bee 的无线环境监测系统，因此需要以此为依据，做好功能模块确定与分类，然后分析这些功能模块的作用，并确定最终模块数目。在此基础上，通过搜集相关资料，来确定硬件系统所需要的芯片以及芯片类型、型号等，借助进行电路设计与PCB打板，最后进行电路板的测试。本次在硬件系统设计上选择了Altium Designer 13硬件设计平台，借助该平台，完成了无线环境监测系统硬件的原理图及与PCB 制作。具体来说，首先针对节点整体模块，在无线ZigBee系统中，共有两类节点，一类是FFD设备，一类是RFD设备，其中前者作为一个协调器使用，后者则作为一个终端节点，因此在器件选择上，两者基于功能不同，选择也会带有一定差异性，但二者在结构上基本一致，节点功能模块也基本相同。在整体硬件结构上包括通信模块、感知器、微处理器、程序调试下载及串口。整体节点模块设计如图1所示。

从图1中我们可以认识到，对于传感节点与协调器节点而言，主要使用芯片有STM32L151、ZICM2410。终端节点特有模块为DHT11温湿度采集模块，协调器特有模块为SIM900B，主要用于GPRS 通信。在管理中心，接收器在应用上除了要使用具备GPRS 功能的SIM900B，另外还要使用 RS485，用于串口通信。在具体电路设计实现上，文章以STM32L151 芯片微处理模块为例， STM32L151 芯片及外围电路原理图如图二所示，从而图2中我们可以认识到， STM32L151 芯片的 VDD 系列及 VLCD 引脚主要负责向芯片供电，因此VDD必需电压稳定，VDD引脚与 VCC 相连，在两者之间，并联有一个4.7u F的电容，而VSS 系列的引脚全部处于接地状态， VDDA通过13 号引脚，会为 ADC 进行供电。在本次设计中，通过将整个板子铺上一层地线，可以将 VSS 系列引脚间的绝对差值控制在 50m V 以内，确保电压稳定供应。

2.2 软件系统设计与实现

针对于面向短距离低功耗物联网应用的无线ZigBee系统的软件设计方面，采用的是IAR Embedded Workbench for ARM软件开发平台。与此同时，在WSN 的组网及环境信息的采集及处理方面，为满足高效率计算，需要针对传感器节点及协调器节点，引入微嵌入式操作系统，这种系统包含多种，比如u C/OS-II系统、T-Linux 系统、 Win CE系统等，一般需要结合实际选择，本次设计选择了u C/OS-II系统。在具体设计方面，首先针对Zig Bee，使用API函数应用。通过应用该函数，需要完成以下功能：一是需要将无线信道进行初始化，二是需要对信道、无线发射频率进行设置；三是要控制好外围设备，包括模数转换（ADC）、中断（Interrupt）等。四是电源管理、五是调试功能，六是通信安全方面，其是虚拟计时功能。另一方面，针对管理中心软件设计具体内容如下：管理中心一般由三部组成，其中一部分是具备GPRS 功能的接收设备，能够用于协调器通信，针对接收的所有数据，能够通过 RS485/232，直接发送至 PC 端。在具体运行上，先确定数据帧是否有收到，如果确认收到，则通过分析数据帧类型，完成相关的处理，如果该数据帧为从其他节点接收，尚未进行处理，则需要调用RS485Snd ，将其发送至 PC 端；如果已经确认帧，则对该帧进行标记，证明该帧已发送。如此数据帧表示断开连接，则需要初始化 GPRS；最后，对数据帧是否已经处理完毕加以判断，若已经完毕，则直接结束，反之，则重新进入新的一轮循环。针对于PC 端软件设计，一般分为两部分，第一部分是串口数据接收和存储，第二部分是数据处理和显示。针对串口数据的接收，可以选择采用 Real Term 软件来实现，同时还要选择一些基本参数，即可进行使用。在Real Term的帮助下，能够将接收到的数据进行存储，存储位置一般在本地磁盘，便于后续显示处理。在具体显示方面。可以利用相关的浏览器，直接进行显示图例，其核心代码来源于百度商业前端可视化团队的开源项目 ECharts，在项目的帮助下，能根据用户需要自行定制个性化可视图表。