ZigBee技術(shù)在LED 燈控制中的應(yīng)用研究論文

　　通信技術(shù)就是該領(lǐng)域中的“一員”。ZigBee 技術(shù)在“物聯(lián)網(wǎng)”領(lǐng)域中的身影隨處可見(jiàn)。除此之外ZigBee 技術(shù)還可以運(yùn)用到智能電網(wǎng)中，提高電力系統(tǒng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　物聯(lián)網(wǎng)熱潮也影響到了各大芯片制造商， 它們都開(kāi)始涉足具有實(shí)現(xiàn)ZigBee 最底層也就是物理層功能的芯片。作為最強(qiáng)大的芯片制造商， 德州儀器也推出了一系列有關(guān)ZigBee 的開(kāi)發(fā)工具和芯片。最新的硬件平臺(tái)CC2530 開(kāi)發(fā)板就是，它集成了加強(qiáng)型8051 單片機(jī)作為它的核心， 結(jié)合德州儀器Z-Stack 協(xié)議， 有著十分強(qiáng)大的功能， 能夠完成制作者各種各樣的制作要求。它還具有更優(yōu)良的RF 性能，可編程的256KB 內(nèi)存，更小的封裝和IR 產(chǎn)生電路，并且不僅僅只支持ZigBee 一種協(xié)議，它所組成的通信網(wǎng)絡(luò)一般的傳輸距離可達(dá)百米以上。

　　1 ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

　　ZigBee 的來(lái)源是蜜蜂， 蜜蜂如果發(fā)現(xiàn)花蜜， 就會(huì)透過(guò)“ZigZag”字形飛舞的方式與同伴交流，從而傳遞信息，召集同伴過(guò)來(lái)采花蜜，由于這種生物信息的傳遞方式很有特點(diǎn)，有很高的效率， 因此將該技術(shù)系統(tǒng)命名為“ZigBee”。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)ZigBee 基于IEEE 發(fā)布的802.15.4 無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。它不僅只是IEEE 802.15.4 的名字，因?yàn)槠渲蠭EEE 僅僅開(kāi)發(fā)和處理低級(jí)介質(zhì)存取層和物理層協(xié)議這兩層，而其他的層是由ZigBee聯(lián)盟在后期進(jìn)行完善的，他們?cè)贗EEE 的基礎(chǔ)層上又加入了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用規(guī)范層，并對(duì)他們進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。

　　完整的ZigBee 協(xié)議系統(tǒng)由高層的應(yīng)用軟件層、應(yīng)用規(guī)范層;底層由基本的物理層也就是所謂的硬件，介質(zhì)存取層，也就是傳輸介質(zhì)，一般是指電磁波，還有數(shù)據(jù)鏈路層組成。這樣才形成了一套完整的ZigBee 協(xié)議系統(tǒng)，它可直接用于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的基本中樞或路由器上的協(xié)調(diào)器。

　　2 ZigBee 硬件電路設(shè)計(jì)

　　(1)網(wǎng)絡(luò)傳輸類(lèi)型

　　ZigBee 的全功能型設(shè)備就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的中心，也就是主設(shè)備，它可以和以它為中心的網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，就相當(dāng)于是網(wǎng)絡(luò)中的神經(jīng)中樞，這類(lèi)設(shè)備一般都是功能比較多，比較強(qiáng)大的設(shè)備;相反的，還有一種簡(jiǎn)化功能設(shè)備，它又被稱(chēng)為子設(shè)備，它不具有成為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中樞的能力，它只被允許和中心主設(shè)備進(jìn)行通信。

　　ZigBee 協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中具有比網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備和終端更為強(qiáng)大的功能，一般來(lái)說(shuō)，在一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中只能允許有一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器出現(xiàn)，就像汽車(chē)只能擁有一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，把它作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的主控制中樞，主要是負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和配置網(wǎng)絡(luò)，允許各種終端加入網(wǎng)絡(luò)，這種傳輸方式被稱(chēng)為廣播。

　　ZigBee 終端，就是子設(shè)備的一種，該設(shè)備需通過(guò)ZigBee 協(xié)調(diào)器的允許加入到網(wǎng)絡(luò)之中，之后才能發(fā)送數(shù)據(jù)，并且執(zhí)行相關(guān)的指令，還能將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶退�相連接的設(shè)備上，當(dāng)然這些終端還有協(xié)調(diào)器都處于同一個(gè)中樞控制的網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee 終端設(shè)備只能被邀請(qǐng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，而不能自身設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，這種傳輸方式被稱(chēng)為單播。

　　本文的系統(tǒng)，主要以協(xié)調(diào)器的廣播和終端單播為主。

　　(2)CC2530 開(kāi)發(fā)板

　　CC2530 是用于2.4GHz IEEE 802.15.4 ZigBee 和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530 模塊上有很多的擴(kuò)展引腳，使得它可以很容易擴(kuò)展自身的功能，所以這也使得它能夠適用各種功能的系統(tǒng)，比如看門(mén)狗，控制臺(tái)燈，報(bào)警裝置等。而且它運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換非常容易，這也進(jìn)一步降低了它的功率消耗。

　　(3)系統(tǒng)組成

　　一般在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的可以有n 個(gè)CC2530 模塊， 但是其中必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器，也就是ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的中樞，和n-1 個(gè)終端模塊。協(xié)調(diào)器一般被設(shè)置為廣播模式，這個(gè)的實(shí)現(xiàn)就是用代碼來(lái)完成，協(xié)調(diào)器可以向其他n 個(gè)所有終端模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，即協(xié)調(diào)器廣播數(shù)據(jù)，其他n 個(gè)終端都可以收到數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)。終端一般被設(shè)置單播模式，就是所有的n-1 個(gè)終端，都向協(xié)調(diào)器中樞發(fā)送數(shù)據(jù)，單播的設(shè)置可以通過(guò)編程來(lái)完成。

　　設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是由一個(gè)協(xié)調(diào)器模塊和一個(gè)終端模塊組成，該系統(tǒng)的功能就是由終端向協(xié)調(diào)器進(jìn)行單播，發(fā)送控制協(xié)調(diào)器模塊上四個(gè)LED 燈的亮滅的指令， 實(shí)現(xiàn)了ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最基本的通信和控制功能。

　　3 ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信軟件實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)協(xié)調(diào)器和終端搭建好以后， 最主要的工作就是系統(tǒng)的軟__件實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的工作過(guò)程如下： 先給協(xié)調(diào)器模塊通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線(xiàn)上電，它就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，并創(chuàng)建一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)模塊上面的黃色LED 燈會(huì)亮，然后會(huì)等待終端的加入。當(dāng)終端也上電后，會(huì)自動(dòng)自動(dòng)查找周?chē)�的網(wǎng)絡(luò)頻道信號(hào)，找到后就會(huì)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，并把該終端的物理地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器把終端的地址信息保存， 以上這些過(guò)程都是通過(guò)代碼編程來(lái)完成的，一定要注意對(duì)于協(xié)調(diào)器和終端，它們所寫(xiě)入的代碼是不同的。

　　(1)協(xié)調(diào)器部分

　　協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)主要指它的高層部分， 也就是用戶(hù)部分的編程， 本文采用德州儀器公司專(zhuān)門(mén)為CC2530 提供支持的免費(fèi)ZigBee 協(xié)議棧軟件IAR810， 以C 語(yǔ)言為編程平臺(tái)語(yǔ)言，在ZStack 的官方所給的通用模板基礎(chǔ)上，通過(guò)編輯相應(yīng)程序的代碼來(lái)建立本文提到的項(xiàng)目。

　　協(xié)調(diào)器調(diào)用NLME_Network_Formation. Request()成功建立網(wǎng)絡(luò)后，會(huì)點(diǎn)亮黃色LED 燈，通過(guò)廣播的通信方式發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)終端也上電并且進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)后， 終端會(huì)搜索到協(xié)調(diào)器發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)， 搜索到以后，就會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng)數(shù)據(jù)包，然后協(xié)調(diào)器會(huì)調(diào)用程序代碼zb_AllowBind (0xff) 進(jìn)入允許入網(wǎng)模式，對(duì)于終端的的入網(wǎng)申請(qǐng)作出響應(yīng)。如果入網(wǎng)成功，則會(huì)收集終端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并調(diào)用程序代碼zb_SendData-Confirm() 作出相應(yīng)的應(yīng)答。

　　(2)終端部分

　　同樣的，在終端發(fā)送數(shù)據(jù)或者請(qǐng)求入網(wǎng)之前，得設(shè)置一下終端的通信方式，終端的通信方式為單播。終端搜索到網(wǎng)絡(luò)后，調(diào)用程序代碼zb_BindDevice()函數(shù)發(fā)出入網(wǎng)請(qǐng)求，等待協(xié)調(diào)器綁入網(wǎng)響應(yīng)的成功回復(fù)， 完成綁定操作。否則將周期性搜索與申請(qǐng)。

　　(3)數(shù)據(jù)指令傳輸

　　本文中數(shù)據(jù)傳輸是調(diào)用了在enddeviceEB.c 中可以無(wú)限發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)的AF 發(fā)送函數(shù)， 在協(xié)議棧中本文將終端上面的“UP”鍵定義為SW_1 鍵，當(dāng)按下它的時(shí)候，就會(huì)發(fā)送了1 個(gè)字符“1”，那么系統(tǒng)就會(huì)來(lái)調(diào)用這個(gè)AF 函數(shù)，通過(guò)函數(shù)的調(diào)用就可以完成發(fā)送數(shù)據(jù)指令的任務(wù)。

　　(4)接收數(shù)據(jù)并處理

　　協(xié)調(diào)器模塊的LED 燈為何會(huì)交替亮滅，就是因?yàn)橄鄳?yīng)程序“GENERICAPP_CLUSTERID”的調(diào)用，它其實(shí)是一個(gè)命令號(hào)，就有點(diǎn)類(lèi)似于“立正”、“稍息”之類(lèi)的命令一樣，它是一種命令，接受數(shù)據(jù)的處理函數(shù)在判斷是“GENERICAPP_CLUSTERID”的時(shí)候，就進(jìn)行LED 交替亮滅。

　　4 應(yīng)用情況

　　本文所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器的調(diào)試和終端的組網(wǎng)之后能夠順利的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)， 協(xié)調(diào)器和重點(diǎn)之間的通信能夠正常進(jìn)行。將協(xié)調(diào)器通過(guò)USB 數(shù)據(jù)線(xiàn)上電，黃色LED 燈會(huì)點(diǎn)亮，再將終端上電以后，經(jīng)過(guò)3～4s，終端模塊上的黃色LED 燈也會(huì)點(diǎn)亮，此時(shí)就說(shuō)明協(xié)調(diào)器模塊和終端模塊組網(wǎng)成功。接下來(lái)，再按終端模塊上面的控制鍵“UP”“DOWN”“RIGHT”“LIGHT”，可以分別控制協(xié)調(diào)器上四個(gè)不同顏色LED 燈的亮滅。

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