1 引言

　　Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞.根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù).這一名稱(chēng)來(lái)源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和"嗡嗡"(zig)地抖動(dòng)翅膀的"舞蹈"來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息,也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò).其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本.主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域,可以嵌入各種設(shè)備.簡(jiǎn)而言之,ZigBee就是一種便宜的,低功耗的近距離無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通訊技術(shù).

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　(1) 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)系統(tǒng)按照運(yùn)行流程可分成三部分:終端設(shè)備(多個(gè))、手持式采集設(shè)備(一個(gè))、數(shù)據(jù)MIS 系統(tǒng).終端設(shè)備是采集氣量數(shù)據(jù)的集成設(shè)備,它負(fù)責(zé)對(duì)氣量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制,同時(shí)可通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸給手持式采集設(shè)備;手持式采集設(shè)備是通過(guò)無(wú)線(xiàn)通道對(duì)終端設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行和控制的設(shè)備;數(shù)據(jù)MIS系統(tǒng)是將手持式設(shè)備中的采集數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行管理的軟件系統(tǒng).

　　(2) 終端設(shè)備

　　在用戶(hù)端氣表加裝通訊模塊形成終端設(shè)備,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取和無(wú)線(xiàn)傳輸.

　　(3) 手持式采集設(shè)備配置

　　MPU:PHILIPS P89LV51RD2,低功耗芯片;

　　EEPROM:24AA512(64K)用以存放所采集的數(shù)據(jù);

　　LCD:MOBI2006 薄型液晶LCD;

　　鍵盤(pán):設(shè)置4 個(gè)功能鍵,分別為:上、下、確認(rèn)、背光;

　　RS-232C 接口芯片:MAX232;

　　無(wú)線(xiàn)模塊:IP?Link1000-B;

　　(4) 數(shù)據(jù)庫(kù)MIS系統(tǒng)

　　其主要功能包括與手持式采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換并存儲(chǔ),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化加工,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行通用管理(添加、刪除、修改、查詢(xún)等)以及根據(jù)客戶(hù)需求打印各種報(bào)表.

　　3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及連接圖

　　手持設(shè)備的硬件連接如圖2 所示,元件主要包括微控制芯片、片外存儲(chǔ)器、多路復(fù)用器CD4052、無(wú)線(xiàn)模塊IP?Link1000-B、串口電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232、鍵盤(pán)和LED 顯示屏.

　　微控制芯片通過(guò)并口連接鍵盤(pán)和LED 顯示屏,片外存儲(chǔ)器EEPROM采用I2C模擬總線(xiàn)方式連接,上位機(jī)和下位機(jī)通訊采用RS-232C 方式,需使用MAX232 芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,另因無(wú)線(xiàn)模塊與上下位機(jī)通訊都通過(guò)通用串行口,所以要進(jìn)行串行口擴(kuò)展,采用多路復(fù)用開(kāi)關(guān)CD4052.

　　(1) 數(shù)據(jù)幀定義

　　數(shù)據(jù)幀是數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議中數(shù)據(jù)的規(guī)范格式,數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的定義如表1 所示.

　　注:Lead 為幀標(biāo)識(shí)(幀頭)、Command 為命令字、Length 為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、Load 為數(shù)據(jù)、Checksum為CRC校驗(yàn)碼

　　(2) 傳輸協(xié)議

　　在藍(lán)牙技術(shù)的使用過(guò)程中,人們發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)盡管有許多優(yōu)點(diǎn),但仍存在許多缺陷.對(duì)工業(yè),家庭自動(dòng)化控制和工業(yè)遙測(cè)遙控領(lǐng)域而言,藍(lán)牙技術(shù)顯得太復(fù)雜,功耗大,距離近,組網(wǎng)規(guī)模太小等,而工業(yè)自動(dòng)化,對(duì)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信的需求越來(lái)越強(qiáng)烈,而且,對(duì)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng),這種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸必須是高可靠的,并能抵抗工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種電磁干擾.因此,經(jīng)過(guò)人們長(zhǎng)期努力,ZigBee協(xié)議在2003年正式問(wèn)世.另外,Zigbee使用了在它之前所研究過(guò)的面向家庭網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議Home RF Lite.

　　數(shù)據(jù)發(fā)送:發(fā)送方將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)先進(jìn)行幀格式定義,先對(duì)數(shù)據(jù)串(命令字+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+數(shù)據(jù))進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC-16 ),形成兩個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼,在數(shù)據(jù)串前添加幀標(biāo)識(shí),然后附上所得的校驗(yàn)碼,形成數(shù)據(jù)幀后進(jìn)行發(fā)送,并等待返回信息.

　　數(shù)據(jù)接收:接收方在接收數(shù)據(jù)幀時(shí),先判斷幀標(biāo)識(shí),若錯(cuò)誤,丟棄當(dāng)前幀并向數(shù)據(jù)源發(fā)重傳命令;如果正確,接收"命令"字節(jié)和"數(shù)據(jù)長(zhǎng)度"字節(jié)并判斷數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,超出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度時(shí)停止接收數(shù)據(jù)并發(fā)重傳命令,長(zhǎng)度合乎要求時(shí)才進(jìn)行后面數(shù)據(jù)的接收,以上每個(gè)字節(jié)接收過(guò)程都包含超時(shí)判斷,如果超時(shí)要求數(shù)據(jù)重發(fā).數(shù)據(jù)接收完畢后進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn),將生成的校驗(yàn)碼與接收到的校驗(yàn)碼比較,相同則通過(guò)校驗(yàn),數(shù)據(jù)幀正確,然后進(jìn)行命令字節(jié)判斷并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理;若未通過(guò)校驗(yàn),接收方發(fā)重傳命令至發(fā)送方,要求重新傳輸該幀數(shù)據(jù).

　　發(fā)送端A在啟動(dòng)發(fā)送后等待返回信息,接收端B接收并校驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行信息回復(fù),包括正確或錯(cuò)誤信息,發(fā)送端A 在接收到接收端B 的反饋信息后,作出相應(yīng)的判斷動(dòng)作.另外,在得到錯(cuò)誤信息或在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到反饋信息時(shí),發(fā)送端A重新發(fā)送當(dāng)前數(shù)據(jù)幀,并且記錄重發(fā)次數(shù).當(dāng)重發(fā)次數(shù)超過(guò)給定值N 時(shí),停止發(fā)送,并報(bào)出錯(cuò)信息.

　　4.2 下位機(jī)與上位機(jī)的通信

　　下位機(jī)(手持設(shè)備)與上位機(jī)(計(jì)算機(jī))通信采用RS-232C 串口通信,上位機(jī)對(duì)所接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 檢驗(yàn)判斷,校驗(yàn)未通過(guò),要求重傳,校驗(yàn)通過(guò),數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù).上位機(jī)利用Visual Basic 6.0中的通信控件MSComm開(kāi)發(fā)串行通訊程序.MSComm 控件提供兩種處理通信的方式:事件驅(qū)動(dòng)方式和查詢(xún)方式.事件驅(qū)動(dòng)方式由MSC omm 控件的onComm事件捕獲并處理通信事件和錯(cuò)誤,其優(yōu)點(diǎn)是程序相應(yīng)及時(shí)、可靠性高;查詢(xún)方式是通過(guò)檢查commEvent屬性的值來(lái)判斷事件和錯(cuò)誤,適合于應(yīng)用程序較小的情況.

　　(1) 控件屬性:包括串口初始化屬性設(shè)置、數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作、狀態(tài)控制、打開(kāi)/ 關(guān)閉串口.

　　(2) 串口初始化屬性設(shè)置

　　下面結(jié)合初始化程序的實(shí)例來(lái)說(shuō)明屬性的設(shè)置:

　　MSComm. CommPort = 2 設(shè)置通信端口號(hào);

　　MSComm. Settings ="1200, M, 8, 1" 設(shè)置波特率為12 00 ,奇偶校驗(yàn)為標(biāo)記,8 位數(shù)據(jù)位,1 位停止位;

　　MSComm. InputLen = 0 讀取接收緩沖區(qū)的全部代碼;

　　MSComm. InputMode = comInputModeBinary 接收的數(shù)據(jù)格式為二進(jìn)制數(shù)據(jù);

　　MSComm. InBufferSize = 100 設(shè)置接收緩沖區(qū)大小為100字節(jié);

　　MSComm. OutBufferSize = 10 設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)的大小為10字節(jié);

　　MSComm. OutBufferCount = 0 清除發(fā)送緩沖區(qū);

　　MSComm. InBufferCount = 0 清除接收緩沖區(qū);

　　MSComm. PortOpen = True 打開(kāi)串口(關(guān)閉端口時(shí)值為f a l s e );

　　(3) 數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作

　　Output 屬性:向發(fā)送緩沖區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)流,為Variant 型變量.Output 屬性可以傳輸文本數(shù)據(jù)或二進(jìn)制數(shù)據(jù),用Output 屬性傳輸文本數(shù)據(jù),須定義一個(gè)包含一個(gè)字符串的Variant.發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù),則須傳遞一個(gè)包含字節(jié)數(shù)組的Variant 到Output屬性.以下是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)確認(rèn)信號(hào)(ACK)的實(shí)例.

　　定義sendata 為Variant,發(fā)送Output 的值,right()為Byte數(shù)據(jù),存放要發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù):

　　Dim sendata As Variant

　　Dim right(1) As Byte

　　right (0) = &H5E

　　sendata = right 二進(jìn)制數(shù)據(jù)變?yōu)閂ariant 格式

　　MSComm. InBufferCount = 0 接收緩沖區(qū)清空

　　MSComm. Output = sendata 發(fā)送二進(jìn)制數(shù)據(jù)

　　Inp ut 屬性:將接收緩沖區(qū)中收到的數(shù)據(jù)讀入變量,為Variant 型變量.當(dāng)InputMode 屬性值為0 (文本模式)時(shí),變量中含String 型數(shù)據(jù),當(dāng)InputMode 屬性值為1(二進(jìn)制模式)時(shí),變量中含B y t e 型數(shù)組數(shù)據(jù).

　　InputLen 屬性:確定被Input 屬性讀取的字符數(shù).設(shè)置InputLen 為0,則讀取緩沖區(qū)中全部的內(nèi)容.若接收緩沖區(qū)中In putLen 字符無(wú)效,In put 屬性返回一個(gè)零長(zhǎng)度字符串("").在使用Input 前,用戶(hù)可以選擇檢查InBufferCount 屬性來(lái)確定緩沖區(qū)中是否已有需要數(shù)目的字符.

　　InBufferCount屬性:返回接收緩沖區(qū)中已傳到但還未取走的字符個(gè)數(shù),In teg er 型.設(shè)為0 ,則清空緩沖區(qū).

　　OutBufferCount 屬性:類(lèi)似于InBufferCount 屬性,為發(fā)送緩沖區(qū)中已傳到但還未取走的字符個(gè)數(shù),Integer 型.設(shè)為0 ,則清空緩沖區(qū).

　　5 數(shù)據(jù)的循環(huán)冗余校驗(yàn)

　　在數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸過(guò)程中,因?yàn)樵肼暤母蓴_數(shù)據(jù)極易出錯(cuò),因此在傳輸時(shí)必須采用可靠的數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法.數(shù)據(jù)校驗(yàn)方法包括奇偶校驗(yàn),循環(huán)甬余校驗(yàn)等多種校驗(yàn)方法,普遍采用循環(huán)甬余校驗(yàn)方法(CRC),它能有效地檢測(cè)出傳輸數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤.CRC 的全稱(chēng)為Cyclic Redundancy Check,它是一類(lèi)重要的線(xiàn)性分組碼,編碼和解碼方法簡(jiǎn)單,檢錯(cuò)和糾錯(cuò)能力強(qiáng),在通信領(lǐng)域廣泛地用于實(shí)現(xiàn)差錯(cuò)控制.

　　CRC 校驗(yàn)的基本思想是利用線(xiàn)性編碼理論,在發(fā)送端根據(jù)要傳送的k 位二進(jìn)制碼序列,以一定的規(guī)則產(chǎn)生一個(gè)校驗(yàn)用的監(jiān)督碼(即CRC 碼)r 位,并附在信息后邊,構(gòu)成一個(gè)新的二進(jìn)制碼序列數(shù)共(k + r )位,發(fā)送出去.在接收端,根據(jù)信息碼和CRC 碼之間所遵循的規(guī)則進(jìn)行檢驗(yàn),以確定傳送中是否出錯(cuò).

　　求CRC 碼采用模2 加減運(yùn)算法則,即是不帶進(jìn)位和借位的按位加減,這種加減運(yùn)算實(shí)際上就是邏輯上的異或運(yùn)算,加法和減法等價(jià),乘法和除法運(yùn)算與普通代數(shù)式的乘除法運(yùn)算是一樣,符合同樣的規(guī)律.生成CRC碼的多項(xiàng)式如下,其中CRC-16 和CRC-CCITT 產(chǎn)生16 位的CRC 碼,而CRC-32 則產(chǎn)生的是32 位的CRC 碼.

　　CRC-16:(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)) G(X)=X16+X15+X2+1

　　CRC-CCITT:(歐洲標(biāo)準(zhǔn)) G(X)=X16+X12+X5+1

　　C R C - 3 2 :G (X ) =X 3 2 +X 2 6 +X 2 3 +X 2 2+ X 1 6+ X 1 2+X11+X10+X8+X7+X5+ X4+X2+X1+1

　　下面以CRC-16 為例:

　　數(shù)據(jù)以字節(jié)為單位,待傳送的數(shù)據(jù)排隊(duì),運(yùn)算區(qū)先存放兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),緩沖區(qū)為一個(gè)字節(jié),第三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放在緩沖區(qū)內(nèi),運(yùn)算區(qū)的數(shù)據(jù)按位運(yùn)算,左邊為標(biāo)志位,標(biāo)志位左移,緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)也左移一位(運(yùn)算區(qū)內(nèi)為新的16位數(shù)據(jù)),標(biāo)志位與CRC-1 6 多項(xiàng)式的位系數(shù)(總為1)比較,標(biāo)志位為1 則運(yùn)算區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)位與多項(xiàng)式的后十六位"異或"運(yùn)算,為零則不運(yùn)算.然后下一位左移,過(guò)程同上,直至緩沖區(qū)內(nèi)的八位數(shù)據(jù)全傳輸至運(yùn)算區(qū)內(nèi)為止.這時(shí)第三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)運(yùn)算完畢,將第四個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū),運(yùn)算方法同上.

　　待數(shù)據(jù)串運(yùn)算完畢后,后面附加16 個(gè)零進(jìn)行運(yùn)算,數(shù)據(jù)完全運(yùn)算完成后,運(yùn)算區(qū)的兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)就是生成的CRC校驗(yàn)碼.將CRC 校驗(yàn)位附在信息碼后作為循環(huán)碼發(fā)送.

　　以上是CRC 校驗(yàn)碼的產(chǎn)生過(guò)程.

　　接收方在接收到數(shù)據(jù)(循環(huán)碼= 數(shù)據(jù)串+ 校驗(yàn)位)后,再進(jìn)行CRC 校驗(yàn),產(chǎn)生的運(yùn)算區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)就是待校驗(yàn)的余數(shù),余數(shù)為零則表示接受的數(shù)據(jù)串正確,否則為錯(cuò).

　　CR C 碼以模二除法得到余數(shù),具體實(shí)現(xiàn)方法是用"異或"運(yùn)算實(shí)現(xiàn).單片機(jī)CRC 檢驗(yàn)子程序如下:

　　CRC_CHECK:

　　MOV R3, #00H ;存儲(chǔ)CRC碼高位

　　MOV R4, #00H ;存儲(chǔ)CRC碼低位

　　CRC0: MOV A, R3

　　XRL A, @R0 ;R0 為初始值地址

　　MOV R3, A

　　MOV R7, #08H ;8 次比較

　　CRC1: MOV A, R4

　　CLR C ;進(jìn)位標(biāo)志清零

　　RLC A

　　MOV R4, A

　　MOV A, R3

　　RLC A

　　MOV R3, A

　　JNC CRC2

　　XRL A, #80H ;高字節(jié)異或運(yùn)算

　　MOV R3, A

　　MOV A, R4

　　XRL A, #05H ;低字節(jié)異或運(yùn)算

　　MOV R4, A

　　CRC2: DJNZ R7, CRC1

　　INC R0 ;取下一校驗(yàn)字節(jié)數(shù)據(jù)

　　DJNZ R6, CRC0 ;R6 為欲校驗(yàn)數(shù)據(jù)串的長(zhǎng)度

　　RET

　　6 無(wú)線(xiàn)模塊特征說(shuō)明

　　本系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸是基于IEEE802.15.4協(xié)議的ZigBee技術(shù).IEEE 802.15.4無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)定了一種短距離、低功耗、低速率、低價(jià)位、高效率、高可靠性的短程無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn).遵循這一標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)被稱(chēng)作ZigBee 技術(shù).

　　在ZigBee 的七層協(xié)議中,IEEE802.15.4 只定義了PHY和MAC 層,實(shí)體層(PHY)規(guī)范確定了在2.4GHz 以250Kbps的基準(zhǔn)傳輸率工作的低功耗展頻無(wú)線(xiàn)電(另有一些以更低數(shù)據(jù)傳播率工作的915 MHz 和868 MHz 的實(shí)體層規(guī)范),介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)規(guī)范定義了在同一區(qū)域工作的多個(gè)802.15.4無(wú)線(xiàn)電信號(hào)如何共享空中通道.

　　系統(tǒng)中無(wú)線(xiàn)模塊采用兼容IEEE 802.15.4 協(xié)議的赫立訊IP?Link1000-B 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊,組網(wǎng)形式為星型網(wǎng)絡(luò).模塊的工作狀態(tài)由外部設(shè)備控制,外部設(shè)備通過(guò)模塊的UART0接口,采用AT命令或數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)的形式對(duì)IP?Link1000-B模塊進(jìn)行配置和操作.

　　無(wú)線(xiàn)模塊在使用前先進(jìn)行參數(shù)配置,包括對(duì)UART0 的波特率,模塊的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)號(hào)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,配置結(jié)果保存于模塊內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器中,然后模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài),準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的傳輸.無(wú)線(xiàn)模塊在使用中先處于休眠狀態(tài),在外部命令作用下進(jìn)入活動(dòng)模式,數(shù)據(jù)傳輸成功后又回到休眠狀態(tài).

　　文中的無(wú)線(xiàn)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)解決方案經(jīng)測(cè)試運(yùn)行穩(wěn)定,無(wú)線(xiàn)通信誤碼率低、可靠性高、安全性好.文中的軟硬件設(shè)計(jì)方案,可適用于各種單片機(jī),并且作為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)在相關(guān)領(lǐng)域的推廣和廣泛的運(yùn)用有著較好的參考價(jià)值.