基于ZigBee的单片机无线通信系统实现

近距离的无线通信技术近几年有很大的发展，其中WiFi(IEEE 802.11)、蓝牙以及ZigBee是应用比较多的几种标准。这几种协议侧重点各有不同，相对于前面两者来讲，Zig Bee由于其可靠性、低功耗及安全性等特性在无线传感器网络(Wireless Sensor Network)中得到了较为广泛的应用。特别是用于医疗健康监测的可穿戴传感器(Wearable Sensor)领域发展的较为迅猛。国外对无线传感器技术研究较早，也已经有很多成熟的产品面世，如iMote2、TelosB、MicaZ以及WaspMote等。随着开源单片机系统开发平台Arduino的普及，基于ZigBee协议标准的XBee系列产品也日渐流行。本文主要针对XBee产品系列中的XBee Pro ZB，探讨了使用ZigBee协议进行单片机之间无线通信的方法。

1 ZigBee

1)简介

ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网(PAN)协议，这是一种短距离、低功耗、低成本的通信技术。它由ZigBee联盟制定，主要适合于短距离无线数据传输，可以构成一个无线传感器网络。ZigBee基于802.15.4，它在802.15.4所规定的物理层和媒体访问控制层的上面添加了自己的网络层、应用层和安全服务规范。在ZigBee协议中，根据设备的通信能力，可分为全功能设备(FFD))和精简功能设备(RFD);根据设备的功能，可以分为协调器(coordinator)、路由器(router)和终端设备(end—device)3种逻辑设备。协调器是一种FFD设备，它是网络的中心节点，负责网络的启动和配置。一个网络中只允许有一个协调器，当整个网络启动和配置完成后，它的功能就相当于一个路由器。路由器也是一种FFD设备，它主要负责维护网络的路由信息，并转发消息到其他设备，扩展信号的传输范围。终端设备可以是FFD设备或RFD设备，它具有加入和退出网络的功能，并能接收和发送报文，一般连接传感器设备，作为监测点，可睡眠或唤醒，因此可以用电池供电。基于ZigBee协议的产品很多，其中较为流行的是Digi公司的XBee，因而我们使用的也是Xbee系列的产品。

2)XBee的配置

XBee的产品种类比较多，不仅有基于ZigBee协议的，也有支持802.15.4以及蓝牙的，我们选用的是基于ZigBee协议的XBee Pro ZB。使用之前我们必须对XBee的相关参数进行设定，可以到Digi的官方网站下载最新版的配置软件X—CTU，其基本界面如下：

配置之前需将XBee通过USB口与电脑相连，运行X—CTU，在“PC Settings”中里选择XBee适配器映射出来的USB串口通信端口(USB Serial Port)，设置好波特率等参数，XBee模块出厂里默认的设置为9600b/s，这个一般不需要更改。点击Test/Query按钮，如果正常连接的话会出现一个显示Modem类型、固件版本以及序列号等信息的对话窗口，其中的序列号是这个无线通信模块的64位唯一硬件编号。完成测试后到配置软件的“Modem Configuration”选项修改“PANID”等参数并写入到XBee模块。PAN ID指的是两个或多个无线通信模块所构成的PAN(个域网)的ID编号，因此对于属于同一个网络中的XBee模块来说这个参数一定要相同。

XBee本身只是一个无线的通信模块，虽然仅使用两个XBee本身也能够实现两个点之间的数据传输，但其只具有通信的功能，不具备什么控制能力，当需要扩展外部器件如传感器时几乎不太可能。为了增强整个系统的功能，最好把它连接到单片机上，我们选择开源单片机开发平台Arduino作为XBee模块的控制面板。用于Arduino扩展XBee的扩展板有很多种，也可以自己动手直接将XBee模块接到Arduino控制板上，不过存在一定的风险。我们采用的是XBee V5扩展板，市场价格大概在三十元左右。

2 将XBee连接到Arduino

XBee模块与AMuino之间其实就是通过串行接口(即TX和RX引脚)进行通信。

对于简单的点对点通信来讲，只需要通过串行接口向XBee模块写数据就可以实现数据的发送;当XBee模块通过无线通道接收到数据时，通过读串行接口可以很方便地获得这些数据。用X—CTU软件配置好两个XBee模块的参数后，两个插上XBee模块的AMuino控制器就可以像有线RS232串口通信一样相互传送数据了。当然，如果要实现我们所期望的结果还需要给Arduino添加一个XBee适配器的驱动。对于我们使用的Arduino UNO控制器，可以在Arduino官网下载一个Arduino 0018版编程软件，它里面的drivers目录里就可以找到这个驱动。先把写到的测试程序下载到Arduino控制板，再将配置好参数的XBee模块通过V5扩展板插到Arduino控制板。

我们把其中一个XBee模块设为主机，其主要代码如下：主机程序：

以上程序可以实现两个XBee模块间的简单通信。要实现成块数据的传输比如将采集到的各种传感器数据发送和接收，过程就变得比较复杂。XBee模块有两种数据传输模式：AT(Transparent/Command) 模式及API(Applieation Program Interface)模式。AT模式主要用于配置XBee模块的参数以及简单的文本传输，使用比较简单，但其功能非常有限。相对而言API模式的功能要强大很多，不过使用起来也比较复杂，在此我们只简单讨论一下API模式。

在API模式下信息以数据帧的方式传输，其帧结构主要包括4个部分：

1)起始符

2)数据部分的长度(用2个字节的十六进制表示)

3)帧数据部分(包括附加控制数据)

4)校验和

如表1所示，起始符为0x7E表示一个数据帧的开始。可以用语句if(Serial.read()==0x7E)来检测是否接收到一个新的数据帧，不能确定一个帧的起始位置无法正确得到有效数据，因为无从判断当前收到数据字节代表的是什么。数据长度是以16进制表示的数据部分的长度。数据部分包括真正要传输的信息以及为了保证数据的可靠传输而附加的控制信息，包括帧的数据类型、帧的序号、64bit的物理目的地址、16bit网络目的地址及其它相关信息。帧的有效载荷即真正的数据信息首字节的偏移量可由帧结构的第一个字节——帧类型计算得到，其长度可由数据长度字段减去首字节的偏移量得到。数据部分的获取帧结构最后一个部分为一个字节的校验和，需要注意的是校验和部分的计算不包括起帧的起始符及数据长度部分。

使用Arduino的一个好处是我们在网上可以找到大多数常见外围器件的第三方函数库，在很多情况下可以大大地减少编程工作量或降低编程的难度。对于XBee模块我们当然可以选择使用现成的函数库来简化通信的过程，用户可以根据自己的需要选择不同的编程语言如C/C++、Python、Java或Processing等。

3 结论

基于ZigBee协议标准的XBee除了能构成一个点到点的通信控制系统外，还可以根据实际需要构建一个具有可伸缩特性的无线传感器网络。每一个XBee模块类似于MAC网卡，有自己唯一的64位物理地址，而加入网络后会由协调器分配一个16位的网络地址，这意味着一个传感器网络最多可以达到65 000个节点，因而有着很大的应用前景。