移動設備中ZigBee接口的實現

引言

ZigBee是一種短距離、低速率無線網絡技術，是一種介于RFID和Bluetooth之間的技術提案。ZigBee一般采用IEEE 802.15.4收發器與ZigBee協議棧的組合，在數千個微小的節點之間相互協調實現通信。

這些節點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個節點，所以它們的通信效率非常高。因此，ZigBee在傳感器網絡、智能家居、工業自動化等領域有廣泛的應用。市場研究公司NSR曾發布報告指出，首批具備ZigBee功能的產品將于2006年第一季在北美、歐洲和亞太地區展開，該機構并預估，到2010年，全球將可望部署5.8億個ZigBee組件，成長非常快速。同樣，市調機構In-Stat也曾在2005年發布新聞指出，五年內，ZigBee成長將超過200%。但是，由于各家使用ZigBee技術的設備商采用的應用協議不同，所以目前市場上很少通用的測試設備，執行包括信道檢測，數據監聽，發送功率等功能。本文介紹了一種在移動設備中實現ZigBee接口的方法，以windows mobile 6.0 Professional為平臺，在仿真器中給出了演示，同時，在HP iPaq rx3700的真機下測試通過。

1. 系統組成及功能

如圖1所示，按照功能，系統可以分成ZigBee模塊和移動設備這兩個部分，它們通過串口進行通信。ZigBee模塊負責IEEE 802.15.4信號的發送和接收，移動設備負責數據的處理，并向用戶提供有好的UI。

圖1系統組成框圖

系統的功能如下：

1. 信道檢測。通過掃描，完成ZigBee技術2.4GHz頻段16個信道的狀態檢測，并返回給UI進行顯示。

2. 發送/接收信道設置。用戶通過UI給ZigBee模塊發送指令，使之通過設定的信道來發送和接收數據。

3. 發送/接收數據。用戶可以用文本方式或者HEX方式發送數據，并且可以用一定間隔進行連續發送。

4. 發送功率設置。用戶發送數據時，通過UI給ZigBee模塊發送指令，可以設定發送的功率大小。

2. 結構模型

2.1硬件結構模型

如圖1所示，ZigBee模塊選用Freescale的HCS08GB60為MCU，MC13192為IEEE 802.15.4收發器，它們之間通過SPI接口進行通信。移動設備通過串口和ZigBee模塊中的HCS08GB60進行通信。

2.2網絡結構模型

ZigBee網絡可以使用Star、Mesh和Mesh-Tree這三種拓撲結構，具體可以參考圖2.

圖2 ZigBee網絡拓撲結構模型

從成本上來考慮，無線部分采用了Freescale免費提供的SMAC（Simple MAC）。SMAC給出了物理層和MAC層的API函數，包括工作狀態轉換、信道選擇、發送功率選擇、時鐘選擇、信道能量和接收信號能量指示（RSSI）等等。該工程文件以Source的方式給出，而不是lib，且可以直接從Freescale網站上下載得到。

3. 軟硬件設計平臺

硬件設計軟件采用經典的Protel99se，主要涉及ZigBee模塊的設計。設計輸出原理圖和PCB圖如下圖3所示：

圖3 硬件設計輸出圖

嵌入式開發環境采用CodeWarrior for HCS08 V3.1，使用C語言和匯編語言進行開發。

移動設備使用windows mobile設備。具體開發環境為：Microsoft Visual Studio 2005+SP1+Windows Mobile 6 professional SDK+ .Net Compact Framework 2.0 SP2。

4.ZigBee模塊程序流程

目前，嵌入式系統有三種主流架構解決方案：基于中斷的多任務模擬、前后臺系統和實時多任務操作系統。“中斷模擬多任務”會導致系統丟失中斷信息，大大破壞系統的穩定性，所以這種方法是不建議使用的。

多任務實時操作系統是目前最成熟而且最合理的解決方案，但是實時操作系統一般為第三方提供，需要付費，而且就像uCOS-II這樣的開源系統也不再免費，若在沒有獲得許可的情況之下使用，可能會涉及到版權糾紛。

而自己開發實時操作系統，研發開銷太大，另外，一些功能簡單或者對實時性要求不高的系統，根本沒有必要上實時操作系統。因此，在實際開發中，很有可能會采用簡單的前后臺系統。

前后臺系統的基本概念是“前臺中斷，后臺循環”。

前后臺系統的基本思想是：硬件中斷函數中只做非常少量而且是絕對必須的操作：如設置中斷寄存器、保存數據寄存器等，然后置后臺標志位，隨即退出中斷。這些操作稱為“前臺操作”。

而后臺操作是一個開放中斷的無限循環。在循環中檢查各后臺標志位，如果某一標志位被置位，則說明有中斷發生，立即調用相應的中斷服務任務，這些任務被稱為“后臺操作”。

在ZigBee模塊的嵌入式軟件開發中，我們使用“前臺中斷，后臺循環”的架構。主程序流程如下圖4所示：

圖4主程序流程圖

TargetInit()執行系統初始化操作，主要包括HCS08的IO、UART和Timer等模塊的初始化。ConfigInit()執行配置初始化操作，主要包括SMAC協議和串口通信協議配置。

ScheduleLoop()為主調度循環，根據狀態來執行不同的任務，如下圖5所示。其中的SYS_FEED_DOG()是指喂看門狗操作。

圖5 主調度循環流程圖

5. 移動設備應用程序流程

在移動設備上運行的用戶應用程序，主要執行信息交互和顯示功能。進一步說，用戶要通過UI將命令發送給ZigBee模塊，同時，移動設備將ZigBee模塊的情況通過UI呈現給用戶。考慮到移動端開發的便捷性，windows mobile平臺是一個不錯的選擇。在Microsoft Visual Studio 2005的IDE下，安裝一個最新的Windows Mobile 6 professional SDK，配合自帶的Emulator就可以進行開發和調試。由于本人比較熟悉C++，所以我選用了native code進行開發，建立一個基于對話框的MFC工程，將需要的控件加入對話框，包括Edit Control, Static Text, Button和Check box等等。具體流程如下圖6所示。

圖6 移動設備應用程序流程圖

其中的對話框初始化包括了界面的初始化，要強調的是串口的初始化。我們這里采用的串口參數如下：速率9600bps，1個停止位，無奇偶校驗。

6.模擬器調試

測試時，采用windows mobile 6 professional emulator。同時，將PC機上的COM1口映射到emulator上，來進行串口通信。配置方法是，在emulator中，選擇”File”下的”Configure”菜單，在”Peripherals”的”Serial port 0”的下拉條中，選擇”COM1”。如圖7所示：

圖7模擬器的串口映射