基于zigbee的無線通信技術的研究與應用

1、?電氣與自動化?喻濤等?基于ＺiｇBｅｅ的無線通信技術的研究與應用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電一體化研究?；冢趇ｇBee的無線通信技術的研究與應用喻濤熊智鵬朱述敏翟美新(南京理工大學機械工程學院江蘇南京2100９4)摘要:針對移動機器人的無線通信實時性和可靠性問題通過對現(xiàn)有的無線通信技術的研究與對比設計了一套

2、基于ＺiｇBｅｅ無線網(wǎng)絡的通信系統(tǒng)其中涉及到對ＺiｇBｅｅ模塊硬件電路設計和軟件編程部分軟件部分包括ＺiｇBｅｅ協(xié)議棧運行機制技術系統(tǒng)網(wǎng)絡搭建技術系統(tǒng)模塊間的串口通信技術。最終利用VC＋＋６.0編寫的上位機軟件發(fā)送指令實現(xiàn)了移動機器人的實時基本操作、尋跡和自由路徑模式操作。通過發(fā)送字符串計算其接收端丟包率方法驗證了系統(tǒng)的實時性和可靠性。關鍵詞:無線通信；ＺiｇBｅｅ；協(xié)議棧；串口通訊中圖分類號:TN９2文獻標志碼:A文章編號: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、計算機、現(xiàn)代制造和自動控制等相關技術的飛速發(fā)展給工業(yè)生產(chǎn)、社會生活帶來了日新月異的變化。移動機器人就是集多學科的研究成果之一代表了機電一體化的最高成就。

8、為了實現(xiàn)上位機與移動機器人的數(shù)據(jù)傳輸無線通信是其關鍵環(huán)節(jié)之一。在此過程中出現(xiàn)了各種無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸標準如WiFiBluｅtoothIｒDAＺiｇBｅｅ等。IｒDAIｒDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術是第一個實現(xiàn)無線個人局域網(wǎng)(PAN)的技術IｒDA的主要優(yōu)點是無需申請頻率的使用權成本低廉并且還具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用等特點。IｒDA的不足在于它是一種視距傳輸兩個相互通信的設備之間必須對準中間不能被其他

9、物體阻隔因而該技術只能用于2臺(非多臺)設備之間的連接不適用與移動機器人的場合。WiFi是基于IEEE８02.11ｂ標準而實現(xiàn)的主要用于海量數(shù)據(jù)高寬帶傳輸。藍牙是基于IEEE８02.1５.1標準而實現(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不提供對藍牙的支持使其應用成本升高所能傳輸?shù)木嚯x也只有2~10m不適合移動機器人的無線數(shù)據(jù)傳輸。ＺiｇBｅｅ是基于IEEE８02.1５.4標準而實現(xiàn)的主要用于傳輸控制信息、數(shù)據(jù)量相對來說比較

10、小的系統(tǒng)。相對于其他標準ＺiｇBｅｅ協(xié)議更容易實現(xiàn)。此外ＺiｇBｅｅ還具有高可靠性、高安全性[1]。綜合移動機器人實際應用情況本課題采用ＺiｇBｅｅ網(wǎng)絡。１ＺiｇBee無線通信系統(tǒng)總體設計系統(tǒng)由4部分組成:四輪驅動移動機器人、驅動控制系統(tǒng)、無限通訊系統(tǒng)、上位機。采用的平臺是四輪驅動移動機器人。驅動控制器部分采用型號為ＳTC８９C５2ＲC的單片機。通信模塊采用ＺiｇBｅｅCC2５30模塊一個模塊作為一節(jié)點與移動機器人連接另一模塊與上位機連

11、接實現(xiàn)上位機與移動機器人的無線數(shù)據(jù)傳輸。無線串口通信系統(tǒng)原理圖和實物圖如圖1所示。２ＺiｇBee模塊硬件設計課題采用的ＺiｇBｅｅ模塊是CC2５30模塊CC2５30單片機是一款完全兼容８0５1內核同時支持IEEE８02.1５.4協(xié)議的無線射頻單片機它有3個不同的存儲器訪問總線(ＳFＲDATA和CODEXDATA)以單周期訪問ＳFＲ、DA712?電氣與自動化?喻濤等?基于ＺiｇBｅｅ的無線通信技術的研究與應用ＭａｃｈｉｎｅＢｕｉｌｄｉｎｇ

12、ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＪｕｎ２０１６４５(３):２１７~２１９２２３同的編譯選項來選擇的。協(xié)調器的主要功能是負責組建、維護、控制終端節(jié)點的加入等。路由器主要負責數(shù)據(jù)包的路由選擇終端節(jié)點負責數(shù)據(jù)的采集不具備路由選擇。在本課題中與上位機相連的ＺiｇBｅｅCC2５30模塊作為協(xié)調器而與移動機器人相連的ＺiｇBｅｅCC2５30模塊作為終端節(jié)點與上位機相連的協(xié)調器組建網(wǎng)絡是個自動的過程協(xié)調器在應用指定的信道上進行掃描選擇一個干擾和沖突最少的信道。確

13、定信道之后需要設定其網(wǎng)絡參數(shù):設備邏輯類型、啟動模式、信標時間和超幀長度等參數(shù)。之后啟動協(xié)調器向網(wǎng)絡層發(fā)送網(wǎng)絡形成請求。待網(wǎng)絡層形成請求確認之后整個建網(wǎng)過程就成功了。終端節(jié)點加入網(wǎng)絡一般首先要搜索周圍存在的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡直接調用MAC層的信標請求命令得到成功的關聯(lián)響應之后根據(jù)協(xié)調器所傳送的命令配備自己的網(wǎng)絡地址更新網(wǎng)絡狀態(tài)之后終端節(jié)點就成功的加入ＺiｇBｅｅ網(wǎng)絡。整個網(wǎng)絡系統(tǒng)搭建如圖4所示。ZDOZDO圖４系統(tǒng)網(wǎng)絡搭建流程圖４.２ＺiｇB

14、ee節(jié)點的串口通訊串口的數(shù)據(jù)傳輸是由HAL層負責的是由主循環(huán)的osalstaｒtsystｅm()里面的事件HalPｒoｃｅssPoll()函數(shù)進行處理的使用串口最基本的步驟就是初始化串口(包括設置波特率、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是其指針中的回調函數(shù)串口的每一次循環(huán)都調用一次對串口內容進行查詢當串口發(fā)來數(shù)據(jù)時數(shù)據(jù)首先存

15、放在DMA接受緩存區(qū)然后用戶調用HalUAＲTＲｅaｄ()函數(shù)進行讀取緩存區(qū)的數(shù)據(jù)并通過AFDataＲｅｑuｅst()函數(shù)發(fā)送到空中。另一個節(jié)點從空中捕獲到信號后在應用層上首先收到信息的就是ＳｅｒialAｐｐPｒoｃｅssEvｅnt這個函數(shù)了它收到AFINCOMINGMＳGCMD事件并通知ＳｅｒialAｐｐPｒoｃｅssMＳGCmｄ()。在這個事件中用戶調用HalUAＲTWｒitｅ()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)實際上是首先將數(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備和存儲器之間直接讀寫數(shù)據(jù)既不通過CPU也不需要CPU干預。這樣在大部分時間里CPU和輸入輸出都處于并行操作。因此使整個系統(tǒng)的效率大大提高[3]。ＺiｇBｅｅ與上位機或移動機器人都是通過串口連接串口是計算機上面一種非常通用的設備通信協(xié)議采用ＲＳ232協(xié)議。兩個串口連接時單片機的接收數(shù)據(jù)針腳與發(fā)送數(shù)據(jù)針腳相連彼此交

17、叉信號地對應相接即可。串口通信時主要受以下參數(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。標準的AＳCII碼是0127傳輸位數(shù)即是7位擴展的AＳCII碼是02５５傳輸數(shù)據(jù)位數(shù)即是８位。如何設置數(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)是在傳輸線上定時的每一個設備都有自己的時鐘很可能在通信中兩臺設備間出現(xiàn)了小小的不同步

18、。因此停止位不僅表示傳輸數(shù)據(jù)的結束并且提供計算機校正時鐘同步的機會。奇偶校驗位是在串口通信中一種簡單的檢錯方式。對于偶和奇校驗的情況串口會設置校驗位(數(shù)據(jù)位后面的最后一位)用一個值確保傳輸?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實驗結果與分析搭建好移動機器人無線通訊系統(tǒng)設置相關初始化參數(shù)再利用VC＋＋６.0編寫的上位機軟件測試系統(tǒng)的可操作性通過實驗可以很好地實現(xiàn)對移動機器人的控制。模式