引言

關于物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，最初可追溯到 20 世紀 90 年代，從此以后，物聯(lián)網(wǎng)被廣泛應用，目前已經遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域。

自 2009 年 8月溫家寶總理提出“感知中國”以來，物聯(lián)網(wǎng)被正式列為國家五大新興戰(zhàn)略性產業(yè)之一，目前國家已經把傳感網(wǎng)明確列入《國家中長期科學技術發(fā)展規(guī)劃 (2006—2020 年 )》和 2050 年國家產業(yè)路線圖。全中國上上下下都在關注物聯(lián)網(wǎng)，其受關注程度是其他各國不可比擬的。本文介紹了一種如何利用單片機學習板與 ZigBee 模塊建立一個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的設計及調試方法。

1 ZigBee 技術簡介

ZigBee 是一種新興的短距離無線技術，可用于傳感控制應用 (sensor and control)。此想法在 IEEE 802.15 工作組中提出后，于是便成立了 TG4 工作組并制定了 IEEE 802.15.4 規(guī)范。2001 年 8 月，ZigBee Alliance 成 立。2004 年，ZigBee V1.0誕生，它是 ZigBee 的第一個規(guī)范，但由于推出倉促，ZigBeeV1.0 存在一些錯誤。2006 年推出的 ZigBee 2006 就比較完善，2007 年底又推出 ZigBee PRO。

ZigBee 是基于 IEEE802.15.4 標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定，該技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂 (bee) 是靠飛翔和“嗡嗡”(zig) 地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息的，也就是說，蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網(wǎng)絡。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee 就是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通訊技術。

2 ZM2410P0 ZigBee 模塊介紹

目前，國內外生產 ZigBee 模塊的廠家很多，文中采用的是 ZM2410P0 ZigBee 模塊，該模塊內嵌串口透明傳輸 ( 點對點和點對多點 ) 通訊協(xié)議，支持空中升級固件或配置遠程模塊信息。該模塊將無線通訊產品的復雜射頻電路集成在一塊小小的板子上，并將無線通訊產品復雜的通訊協(xié)議內嵌到內置的 8051 單片機里，可讓開發(fā)產品的過程最大程度地化繁為簡，

縮短產品的開發(fā)周期。圖 1 所示是該模塊的外型圖。

圖1 ZM2410P0 ZigBee 模塊

ZM2410P0 ZigBee 模塊共有 26 個引腳，各引腳的功能定義如表 1 所列。

3 基于 DEMO 開發(fā)板的本地模塊通訊參數(shù)配置

使用 ZM2410 評估套件 ZM-DEMO 配送 USB 通訊電纜來連接評估板和 PC 機方法如圖 2 所示。其中電源開關撥到“VBUS”位置，打開配置軟件，首次設置串口號為對應的串口，波特率為 115 200，數(shù)據(jù)位 8，停止位 1，無校驗位。單擊“打開串口”，然后選擇“ZLG”選項卡并點擊“獲取信息”進入配置狀態(tài)，此時可得到如圖 3 所示的配置信息初始狀態(tài)。

之后，在基本信息欄里分別按圖 4 所示設置兩個模塊的各項信息，點擊“更改配置”輸入初始密碼即可；接著，按同樣的方法在串口信息欄設置串口波特率為 19 200，方便后續(xù)與單片機的通訊。這樣就可輕松把兩個 ZigBee 模塊設置為點對點的通訊模式。

4 硬件通訊測試

分別把兩個帶有 ZigBee 模塊的 ZM2410 評估套件 ZM-DEMO 用配送的 USB 通訊電纜連接到評估板和 PC 機，電源開關撥到“VBUS”位置。打開兩個串口調試助手窗口，并分別按圖 5 所示的方法設置好相關參數(shù)。再打開串口，在字符串輸入框中輸入要發(fā)送的字符，點擊“發(fā)送”按鈕。如果能在各自對應的窗口中接收到對方所發(fā)送的信息，則說明模塊硬件信息配置正確，可以正常使用模塊進行二次開發(fā)和使用。

5 ZigBee 終端節(jié)點硬件設計

圖 6 所示是根據(jù) ZM2410 模塊的用戶手冊設計 ZigBee 終端典型系統(tǒng)的硬件電路，ZigBee 模塊可通過串口與 MCU 連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，三個 LED 指示燈來用指示模塊的發(fā)送、接收及錯誤報警信息。

圖 5 通訊測試

6 ZigBee 終端節(jié)點的軟件設計

根據(jù) ZigBee 終端最小系統(tǒng)原理圖設計 MCU 串口數(shù)據(jù)的發(fā)送原程序如下：

#include <REG52.H>

#include <stdio.h>

void delay(unsigned int i); // 函數(shù)聲明

char code MESSAGE[]= " 深圳職業(yè)技術學院 ";

unsigned char a;

void main (void) {

SCON = 0x50; //REN=1允許串行接受狀態(tài)，串口工作

模式 2

TMOD|= 0x20; // 定時器工作方式 2

PCON|= 0x80; // 波特率提高一倍

TH1= 0xFD; // 數(shù)據(jù)位 8、停止位 1、效驗位無、

晶振 (11.0592)

TL1=0xFD;

TR1=1; // 開啟定時器 1

ES=1; // 開串口中斷

EA = 1; // 開總中斷

while(1)

{a=0;

while(MESSAGE[a] != '\0')

{

SBUF = MESSAGE[a]; //SUBF 接受 / 發(fā)送緩沖器

while(!TI);

// 等特數(shù)據(jù)傳送

TI = 0;

// 清除數(shù)據(jù)傳送標志

a++;

// 下一個字符

}

delay(1000);

}

}

void delay(unsigned int i)

{

unsigned char j;

for(i; i > 0; i--)

for(j = 200; j > 0; j--) ;

}

該程序運行后，可使 C51 單片機通過串口不斷地向外發(fā)送“深圳職業(yè)技術學院”字符。

7 ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的建立

利用實驗室現(xiàn)有單片機學習板并按圖 6 所示的方法設計節(jié)點硬件電路，把每個節(jié)點按圖 4 所示設置好 ZigBee 模塊信息，這樣就建立了一個點對點的物聯(lián)網(wǎng)硬件網(wǎng)絡，具體如圖7 所示。如果把其中一個節(jié)點 n 的發(fā)送模式定義為“廣播模式”，其它節(jié)點的目的網(wǎng)絡地址都為節(jié)點 n 的本地網(wǎng)絡地址，就可把點對點物聯(lián)網(wǎng)硬件網(wǎng)絡變成點對多點的物聯(lián)網(wǎng)硬件網(wǎng)絡，具體如圖 8 所示。

8 ZigBee 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通訊調試

8.1 點對點網(wǎng)絡的通訊調試

把前面程序編譯后燒錄到節(jié)點 n 的 MCU 中，然后接通電源，就可看到節(jié)點 n 的 ZigBee 模塊的 25 腳數(shù)據(jù)接收指示燈“LEDR”在有規(guī)律地閃爍著，這說明節(jié)點 n 在不停地發(fā)送數(shù)據(jù)。這時，把另一個帶有 ZigBee 模塊的節(jié)點 n+1 用 USB 通訊電纜連接到評估板和 PC 機，也把電源開關撥到“VBUS”位置，并在 PC上打開一個串口調試工具窗口，就可看到這個 ZigBee模塊的“LEDT”指示燈同樣在有規(guī)律地閃爍著，從串口調試工具窗口也可看到模塊終端接收到信息，具體如圖 9 所示。圖 9 ZigBee 接收終端8.2 點對多點網(wǎng)絡的通訊調試

在節(jié)點 n+1 到節(jié)點 n+…中的各個 MCU 中燒錄好前面所寫程序，節(jié)點 n 按點對點網(wǎng)絡試調時的設置即可，然后使各節(jié)點上電運行，就可從節(jié)點 n 的串口調試工具窗口看到模塊終端接收到如圖 9 所示的信息。

9 結 語

實踐證明，通過對 ZigBee 模塊的學習而不再需要復雜的高頻電路基礎，就可以通過現(xiàn)有的單片機學習板掌握一種全新的無線傳輸技術。如果把這一技術應用到單片機教學中，不僅可以增加學生對現(xiàn)有單片機系統(tǒng)的學習興趣，而且可以開闊學生的知識面。

20210915_61417e6300b73__基于單片機與ZigBee的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)