基于zigbee的無線通信技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、?電氣與自動(dòng)化?喻濤等?基于ＺiｇBｅｅ的無線通信技術(shù)的研究與應(yīng)用ＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＪｕｎ２０１６４５(３):２１７~２１９２２３作者簡介:喻濤(1９９0)男安徽安慶人碩士研究生主要從事機(jī)電一體化研究?；冢趇ｇBee的無線通信技術(shù)的研究與應(yīng)用喻濤熊智鵬朱述敏翟美新(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院江蘇南京2100９4)摘要:針對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的無線通信實(shí)時(shí)性和可靠性問題通過對(duì)現(xiàn)有的無線通信技術(shù)的研究與對(duì)比設(shè)計(jì)了一套

2、基于ＺiｇBｅｅ無線網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)其中涉及到對(duì)ＺiｇBｅｅ模塊硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程部分軟件部分包括ＺiｇBｅｅ協(xié)議棧運(yùn)行機(jī)制技術(shù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建技術(shù)系統(tǒng)模塊間的串口通信技術(shù)。最終利用VC＋＋６.0編寫的上位機(jī)軟件發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)基本操作、尋跡和自由路徑模式操作。通過發(fā)送字符串計(jì)算其接收端丟包率方法驗(yàn)證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。關(guān)鍵詞:無線通信；ＺiｇBｅｅ；協(xié)議棧；串口通訊中圖分類號(hào):TN９2文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1６71５

3、27６(201６)03021703ReseａrchonａndApplicａt(yī)ionoftheＷirelessＣommunicａt(yī)ionTechnoloｇｙBａsedonＺiｇBeeYUTaoXIONGＺhiｐｅnｇＺHUＳhuminＺHAIMｅiｘin(SchoolofMechａnicａlEngineeｒingＮａnｊingＵniｖeｒｓityofScienceａndTechnologyＮａnｊing2100９4Ｃhinａ)Abstrａ

4、ct:lnoｒdeｒtoｓolｖethepｒoｂlemｓinｒeａltimeａndｒeliａｂilityfoｒthemoｂileｒoｂotｗiｒeleｓｓcommunicａt(yī)ionａｓetofｗiｒeleｓｓcommunicａt(yī)ionｓyｓtemuｓingＺigＢeeｗiｒeleｓｓｗoｒｋiｓdeｓignedａfteｒtheｒeｓeａｒchａndcompａｒiｓonoftheeｘiｓtingｗiｒeleｓｓcommunicａt(yī)iont

5、echnology.lnthiｓneｗlydeｓignedｓyｓtemＺigＢeemodulehａｒdｗａｒeciｒcuitdeｓignａndｓoftｗａｒepｒogｒａmmingａｒeinｖolｖed.TheｓoftｗａｒepａｒtincludeｓthetechnologyofＺigＢeepｒotocolｓtａcｋｒunningmechａniｓmｗoｒｋｓyｓtemｂuildingａndｓeｒiａlcommunicａt(yī)ionｂetｗe

6、entheｓyｓtemmoduleｓ.TheinｓtｒuctionｓａｒeｓentｂytheＰＣｓoftｗａｒeｗｒitteninＶＣ＋＋６.0tomoｂileｒoｂottheｂａｓicopeｒａt(yī)ionｒeａltimetｒａcingａndfｒeepａt(yī)hmodeopeｒａt(yī)ionａｒeｒeａliｚed.Ｂymeａnｓofｓendingａｓtｒingthepａcｋetloｓｓｒａt(yī)eoftheｒeceiｖeｒiｓcａlculａt(yī)edａn

7、dtheｒeａltimeconditionｓａndｒeliａｂilityoftheｓyｓtemａｒeｖeｒified.Ｋeｙｗds:ｗiｒeleｓｓcommunicａt(yī)ionｓ；ＺigＢee；pｒotocoltｒａcｋ；ｓeｒiａlcommunicａt(yī)ion０引言近年來微電子、人工智能、計(jì)算機(jī)、現(xiàn)代制造和自動(dòng)控制等相關(guān)技術(shù)的飛速發(fā)展給工業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)生活帶來了日新月異的變化。移動(dòng)機(jī)器人就是集多學(xué)科的研究成果之一代表了機(jī)電一體化的最高成就。

8、為了實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸無線通信是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。在此過程中出現(xiàn)了各種無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)如WiFiBluｅtoothIｒDAＺiｇBｅｅ等。IｒDAIｒDA是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù)是第一個(gè)實(shí)現(xiàn)無線個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的技術(shù)IｒDA的主要優(yōu)點(diǎn)是無需申請(qǐng)頻率的使用權(quán)成本低廉并且還具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用等特點(diǎn)。IｒDA的不足在于它是一種視距傳輸兩個(gè)相互通信的設(shè)備之間必須對(duì)準(zhǔn)中間不能被其他

9、物體阻隔因而該技術(shù)只能用于2臺(tái)(非多臺(tái))設(shè)備之間的連接不適用與移動(dòng)機(jī)器人的場合。WiFi是基于IEEE８02.11ｂ標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)的主要用于海量數(shù)據(jù)高寬帶傳輸。藍(lán)牙是基于IEEE８02.1５.1標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)的主要用于小數(shù)量短距離傳輸。目前主流硬件和軟件平臺(tái)不提供對(duì)藍(lán)牙的支持使其應(yīng)用成本升高所能傳輸?shù)木嚯x也只有2~10m不適合移動(dòng)機(jī)器人的無線數(shù)據(jù)傳輸。ＺiｇBｅｅ是基于IEEE８02.1５.4標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)現(xiàn)的主要用于傳輸控制信息、數(shù)據(jù)量相對(duì)來說比較

10、小的系統(tǒng)。相對(duì)于其他標(biāo)準(zhǔn)ＺiｇBｅｅ協(xié)議更容易實(shí)現(xiàn)。此外ＺiｇBｅｅ還具有高可靠性、高安全性[1]。綜合移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用情況本課題采用ＺiｇBｅｅ網(wǎng)絡(luò)。１ＺiｇBee無線通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)由4部分組成:四輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、無限通訊系統(tǒng)、上位機(jī)。采用的平臺(tái)是四輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)機(jī)器人。驅(qū)動(dòng)控制器部分采用型號(hào)為ＳTC８９C５2ＲC的單片機(jī)。通信模塊采用ＺiｇBｅｅCC2５30模塊一個(gè)模塊作為一節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)機(jī)器人連接另一模塊與上位機(jī)連

11、接實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與移動(dòng)機(jī)器人的無線數(shù)據(jù)傳輸。無線串口通信系統(tǒng)原理圖和實(shí)物圖如圖1所示。２ＺiｇBee模塊硬件設(shè)計(jì)課題采用的ＺiｇBｅｅ模塊是CC2５30模塊CC2５30單片機(jī)是一款完全兼容８0５1內(nèi)核同時(shí)支持IEEE８02.1５.4協(xié)議的無線射頻單片機(jī)它有3個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問總線(ＳFＲDATA和CODEXDATA)以單周期訪問ＳFＲ、DA712?電氣與自動(dòng)化?喻濤等?基于ＺiｇBｅｅ的無線通信技術(shù)的研究與應(yīng)用ＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇ

12、ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＪｕｎ２０１６４５(３):２１７~２１９２２３同的編譯選項(xiàng)來選擇的。協(xié)調(diào)器的主要功能是負(fù)責(zé)組建、維護(hù)、控制終端節(jié)點(diǎn)的加入等。路由器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)包的路由選擇終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集不具備路由選擇。在本課題中與上位機(jī)相連的ＺiｇBｅｅCC2５30模塊作為協(xié)調(diào)器而與移動(dòng)機(jī)器人相連的ＺiｇBｅｅCC2５30模塊作為終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)相連的協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)是個(gè)自動(dòng)的過程協(xié)調(diào)器在應(yīng)用指定的信道上進(jìn)行掃描選擇一個(gè)干擾和沖突最少的信道。確

13、定信道之后需要設(shè)定其網(wǎng)絡(luò)參數(shù):設(shè)備邏輯類型、啟動(dòng)模式、信標(biāo)時(shí)間和超幀長度等參數(shù)。之后啟動(dòng)協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送網(wǎng)絡(luò)形成請(qǐng)求。待網(wǎng)絡(luò)層形成請(qǐng)求確認(rèn)之后整個(gè)建網(wǎng)過程就成功了。終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)一般首先要搜索周圍存在的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)直接調(diào)用MAC層的信標(biāo)請(qǐng)求命令得到成功的關(guān)聯(lián)響應(yīng)之后根據(jù)協(xié)調(diào)器所傳送的命令配備自己的網(wǎng)絡(luò)地址更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)之后終端節(jié)點(diǎn)就成功的加入ＺiｇBｅｅ網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)搭建如圖4所示。ZDOZDO圖４系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)搭建流程圖４.２ＺiｇB

14、ee節(jié)點(diǎn)的串口通訊串口的數(shù)據(jù)傳輸是由HAL層負(fù)責(zé)的是由主循環(huán)的osalstaｒtsystｅm()里面的事件HalPｒoｃｅssPoll()函數(shù)進(jìn)行處理的使用串口最基本的步驟就是初始化串口(包括設(shè)置波特率、中斷等)和向發(fā)送緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)或從接收緩存區(qū)讀取數(shù)據(jù)。協(xié)議棧中的halUAＲTCBaｃkt函數(shù)指針中就定義了初始化參數(shù)。ｄmaCfｇ.uaｒtCB是其指針中的回調(diào)函數(shù)串口的每一次循環(huán)都調(diào)用一次對(duì)串口內(nèi)容進(jìn)行查詢當(dāng)串口發(fā)來數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)據(jù)首先存

15、放在DMA接受緩存區(qū)然后用戶調(diào)用HalUAＲTＲｅaｄ()函數(shù)進(jìn)行讀取緩存區(qū)的數(shù)據(jù)并通過AFDataＲｅｑuｅst()函數(shù)發(fā)送到空中。另一個(gè)節(jié)點(diǎn)從空中捕獲到信號(hào)后在應(yīng)用層上首先收到信息的就是ＳｅｒialAｐｐPｒoｃｅssEvｅnt這個(gè)函數(shù)了它收到AFINCOMINGMＳGCMD事件并通知ＳｅｒialAｐｐPｒoｃｅssMＳGCmｄ()。在這個(gè)事件中用戶調(diào)用HalUAＲTWｒitｅ()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)實(shí)際上是首先將數(shù)據(jù)寫入DMA發(fā)送緩存區(qū)然

16、后DMA自動(dòng)將發(fā)送緩存區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到串口。DMA(DiｒｅｃtMｅmoｒyAｃｅss)這是指一種高速的數(shù)據(jù)傳輸操作允許在外部設(shè)備和存儲(chǔ)器之間直接讀寫數(shù)據(jù)既不通過CPU也不需要CPU干預(yù)。這樣在大部分時(shí)間里CPU和輸入輸出都處于并行操作。因此使整個(gè)系統(tǒng)的效率大大提高[3]。ＺiｇBｅｅ與上位機(jī)或移動(dòng)機(jī)器人都是通過串口連接串口是計(jì)算機(jī)上面一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議采用ＲＳ232協(xié)議。兩個(gè)串口連接時(shí)單片機(jī)的接收數(shù)據(jù)針腳與發(fā)送數(shù)據(jù)針腳相連彼此交

17、叉信號(hào)地對(duì)應(yīng)相接即可。串口通信時(shí)主要受以下參數(shù)控制:波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)位。波特率是指每秒所能傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)。數(shù)據(jù)位就是所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)常見的有7８位等。標(biāo)準(zhǔn)的AＳCII碼是0127傳輸位數(shù)即是7位擴(kuò)展的AＳCII碼是02５５傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)即是８位。如何設(shè)置數(shù)據(jù)位數(shù)取決于想要傳遞的信息。停止位用于表示單個(gè)包的最后一位典型值為11.５和2。由于數(shù)是在傳輸線上定時(shí)的每一個(gè)設(shè)備都有自己的時(shí)鐘很可能在通信中兩臺(tái)設(shè)備間出現(xiàn)了小小的不同步

18、。因此停止位不僅表示傳輸數(shù)據(jù)的結(jié)束并且提供計(jì)算機(jī)校正時(shí)鐘同步的機(jī)會(huì)。奇偶校驗(yàn)位是在串口通信中一種簡單的檢錯(cuò)方式。對(duì)于偶和奇校驗(yàn)的情況串口會(huì)設(shè)置校驗(yàn)位(數(shù)據(jù)位后面的最后一位)用一個(gè)值確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有偶或奇?zhèn)€邏輯高位。ＲＳ232串行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)幀格式如圖５所示。圖５串口數(shù)據(jù)幀格式５實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析搭建好移動(dòng)機(jī)器人無線通訊系統(tǒng)設(shè)置相關(guān)初始化參數(shù)再利用VC＋＋６.0編寫的上位機(jī)軟件測試系統(tǒng)的可操作性通過實(shí)驗(yàn)可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的控制。模式