李志偉

（蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 蘇州 215000）

0 引言

為了減少尋找物品花費(fèi)的時(shí)間和煩惱，許多基于無(wú)線技術(shù)的物品尋找器應(yīng)運(yùn)而生。 2016 年，王韋舒等［1］設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的主動(dòng)式無(wú)線尋物系統(tǒng)，該系統(tǒng)將單片機(jī)作為主控制器，控制無(wú)線收發(fā)芯片進(jìn)行尋物信號(hào)的發(fā)送和接收，通過(guò)聲光模塊產(chǎn)生尋物語(yǔ)音和燈光指示，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物品的尋找。 同年，丁輝等［2］研究了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的物品尋找器，該系統(tǒng)采用了JAVA 語(yǔ)言編寫(xiě)智能手機(jī)端App，通過(guò)藍(lán)牙與綁定在物品上的尋找器進(jìn)行通信，發(fā)出聲音和亮光，引導(dǎo)人們找到物品。 2018 年，李雪艷等［3］設(shè)計(jì)了一套基于RSSI 的可以雙向查找貴重物品的尋找設(shè)備。 通過(guò)該系統(tǒng)總體分析可知，通過(guò)藍(lán)牙BLE 模式搜索藍(lán)牙設(shè)備，并與信號(hào)源配對(duì)，通過(guò)判定信號(hào)的穩(wěn)定性以及信號(hào)距離的閾值大小，來(lái)查找設(shè)備。 2020 年，聶壹琦等［4］研究一種基于射頻識(shí)別（radio frequency ideatification，RFID ）技術(shù)的物品尋找APP，該研究采用了C 語(yǔ)言和JAVA 語(yǔ)言以及移動(dòng)端APP 開(kāi)發(fā)和微信小程序設(shè)計(jì)，通過(guò)電子信號(hào)的發(fā)出、傳遞、接收和解碼，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。 2021年，發(fā)表在《數(shù)據(jù)分析與知識(shí)發(fā)現(xiàn)》雜志上的一篇文章，介紹了一種利用RFID 信號(hào)尋找丟失物品的方法［5］。 該研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)能完成該任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)RFusion，使用裝有攝像頭和射頻天線的機(jī)械手臂，通過(guò)獲取視覺(jué)數(shù)據(jù)以及定位信息和檢索信息來(lái)發(fā)現(xiàn)物品。 隨著科技的發(fā)展和無(wú)線技術(shù)的進(jìn)步。 這種通過(guò)無(wú)線尋找物品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研究越來(lái)越多，將更方便于人們的生活。

本文研究一種基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線組網(wǎng)設(shè)計(jì)，并通過(guò)發(fā)射與接收信號(hào)電路設(shè)計(jì)、代碼編寫(xiě)，以及最佳信道的分析及選擇，ZigBee 開(kāi)發(fā)板等硬件的連通后，在IAR 軟件上調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)探尋組網(wǎng)和手動(dòng)模式組網(wǎng)的設(shè)計(jì)。 發(fā)射模塊和接收模塊的距離可在最小范圍和最大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)，可再次通過(guò)自動(dòng)組網(wǎng)建立通信。

1 相關(guān)技術(shù)

1.1 Z-Stack

Z-stack 是挪威半導(dǎo)體公司推出的一款業(yè)界領(lǐng)先的商業(yè)級(jí)協(xié)議棧軟件。 用戶使用該軟件能夠較容易地開(kāi)發(fā)出具體的應(yīng)用程序。 開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇 IAR Embedded Workbench［6］。 使用時(shí)，只需要調(diào)用該程序或應(yīng)用編程接口（application programming interface，API）即可，而無(wú)須知道協(xié)議棧具體實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。 Z-Stack 協(xié)議保證了通信雙方需要按約定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)射和接收。 可以將協(xié)議棧簡(jiǎn)單理解為，通過(guò)使用協(xié)議棧以函數(shù)或API 的調(diào)用來(lái)使用這個(gè)協(xié)議，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信數(shù)據(jù)的收發(fā)。

1.2 通信步驟

簡(jiǎn)單來(lái)講，ZigBee 無(wú)線通信可通過(guò)3 個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：①組網(wǎng)。 通過(guò)調(diào)用協(xié)議棧中的相關(guān)函數(shù)和組網(wǎng)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的互通互聯(lián)，建立網(wǎng)絡(luò)。 ②發(fā)送。 由發(fā)送節(jié)點(diǎn)調(diào)用相關(guān)函數(shù)，如發(fā)送函數(shù)（此函數(shù)也在協(xié)議棧中），將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)發(fā)送給接收節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。 ③接收。 由接收節(jié)點(diǎn)發(fā)起，調(diào)用相關(guān)函數(shù)，如接收函數(shù)（此函數(shù)在協(xié)議棧中），將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)接收，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收。

2 實(shí)施準(zhǔn)備

2.1 所需設(shè)備

設(shè)計(jì)實(shí)施前除了要準(zhǔn)備好ZigBee 開(kāi)發(fā)板、5V 電源適配器和USB 下載線外，還需要理清楚邏輯設(shè)備存在的作用，設(shè)備參數(shù)的設(shè)置、信道和網(wǎng)絡(luò)編號(hào)、配置文件以及ZigBee NV 編程的內(nèi)容。

ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)中存在的邏輯設(shè)備類型有3 種。一種是協(xié)調(diào)器，即第一個(gè)需要啟動(dòng)的設(shè)備。 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建，它的工作方式可通過(guò)標(biāo)識(shí)符和信道的選擇來(lái)實(shí)現(xiàn)。 第二種是路由器，它的功能是允許節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，它可以與若干個(gè)路由器或終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 特別需要注意的是ZigBee 星型網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee 路由。 通常路由器一直處于運(yùn)行狀態(tài)，它的功耗往往比較高，因此需要提供一個(gè)連續(xù)的電源進(jìn)行供電。 第三種是終端節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)的是加入已建立的指定網(wǎng)絡(luò)。 由于其存儲(chǔ)容量要求最小，可根據(jù)功能需要自行調(diào)整進(jìn)入休眠狀態(tài)或喚醒狀態(tài)，所以可作為除電池供電設(shè)備外，另一種實(shí)現(xiàn)ZigBee 低功耗的設(shè)計(jì)。

2.2 設(shè)備參數(shù)設(shè)置

設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中還有其他的作用，如建立安全機(jī)制、綁定網(wǎng)絡(luò)等。 當(dāng)設(shè)備組網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)，可根據(jù)定義的搜索信道Chinalid 和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（personal area network ID，PANID）來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)。 如果PANID 定義為0xFFFF，則隨機(jī)產(chǎn)生PANID。 此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)需要執(zhí)行指定的網(wǎng)絡(luò)功能函數(shù)，并且將給形式參數(shù)指定的值。 同時(shí)可以確定網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的類型，以及選擇的堆棧模式。

2.3 信道Chanel 選擇

由于ZigBee 協(xié)議定義了26 個(gè)信道，分別為868 MHz 1 個(gè)，915 MHz10 個(gè)，2.4 GHz11 個(gè)，而CC2530 芯片只支持2.4 G，所以這里只能設(shè)置2.4 G 頻段，即11 信道到26 信道。 信道選擇ZigBee 布網(wǎng)最大的障礙就是干擾，也就是來(lái)自Wi-Fi 的干擾。 Wi-Fi 與ZigBee 都處于2.4 G 頻段，信道高度重合。 而且無(wú)論是功率還是抗干擾能力ZigBee都敵不過(guò)Wi-Fi。 因此在部署ZigBee 網(wǎng)絡(luò)時(shí)要考慮當(dāng)前環(huán)境中Wi-Fi 信號(hào)的干擾頻段，并盡可能避開(kāi)這些頻段。如Wi-Fi 在2.4 G 頻段具有14 個(gè)信道，且信道之間相互重疊。 但在中國(guó)，無(wú)線AP 最常用的信道是1、6、11，幾乎所有的民用無(wú)線AP 默認(rèn)都是這3 個(gè)信道。 自己觀察可以發(fā)現(xiàn)這3 個(gè)信道前后之間有細(xì)微的間隔，分別為f＜2.401、2.423 和2.473。 再來(lái)看ZigBee 的信道分布：對(duì)比可以看出，15、20、25、26 這4 個(gè)ZigBee 信道完全避開(kāi)了常用的Wi-Fi 信道1、6、11，是ZigBee 布網(wǎng)的最佳選擇。

2.4 配置文件

配置Chanel 文件如圖1 所示。 通常所說(shuō)的堆棧信息、內(nèi)存大小分配，都在該配置文件中，它也是CC2530 單片機(jī)的鏈接控制指令所在的地方，此配置一般不需要修改。 f8wConfig.cfg 文件包含了信道選擇、網(wǎng)絡(luò)ID 號(hào)等有關(guān)的鏈接命令。 每一個(gè)設(shè)備都有一個(gè)DEFFAULT_CHANLIST 的默認(rèn)信道集。 要選擇哪個(gè)信道，把前面的“/ /”注釋刪除，其余的保留即可。 例如信道默認(rèn)為-DDEFAULT_CHANLIST ＝0x00000800/ /11-0x0B，只需刪除前面“/ /”注釋符即可。

2.5 PANID 網(wǎng)絡(luò)編號(hào)

PANID 指網(wǎng)絡(luò)編號(hào)，用于區(qū)分不同的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備的PANID 值由DZDAPP_CONFIG_PAN_ID 來(lái)確定，如果該值設(shè)置為0xFFFF，則協(xié)調(diào)器將產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的PANID。

2.6 描述符

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的描述符用來(lái)描述相應(yīng)設(shè)備的類型以及如何使用。 包含節(jié)點(diǎn)描述符、電源描述符和默認(rèn)用戶描述符等，根據(jù)需要如果要定義自己的描述符，可以通過(guò)改變描述符實(shí)現(xiàn)。 描述符的定義和創(chuàng)建配置項(xiàng)在文件ZDOConfig.h 和ZDOConfig. c 中完成，描述符信息可以被網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備讀取。

2.7 ZigBee NV 編程

非易失性存儲(chǔ)器（non-volatile memory），簡(jiǎn)稱NV，可以保證斷電后，保存在存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)信息不會(huì)消失。 此存儲(chǔ)器在ZigBee 協(xié)議棧中主要用于保存網(wǎng)絡(luò)中的配置參數(shù)，如網(wǎng)絡(luò)IP 等。

具有了NV_RESTORE 編譯選項(xiàng)，就可以啟用NV 編程功能。 在編程中，需要注意的是，NV 中用戶描述符ID項(xiàng)是ZDO_NV_UserDesc（在ZComDef.h 定義）。 在ZDApp_Init（）函數(shù)中，可以調(diào)用函數(shù)Osal_nv_item_init（）來(lái)初始化所需要的NV 空間。 初次建立NV 空間，Osal_nv_item_init（）函數(shù)將設(shè)置默認(rèn)值ZDO_DefaultUserDescriptor，這樣就可以為用戶描述符保留空間。

3 設(shè)計(jì)與實(shí)施

3.1 電路圖設(shè)計(jì)

（1）發(fā)射模塊的電路圖包括：①ZigBee 核心板電路圖；②LCD 指示燈電路圖和LCD 屏幕電路圖；③發(fā)射模塊蜂鳴器電路圖；④控制按鍵電路圖和復(fù)位按鍵電路圖。

（2）接收模塊的電路圖包括：①接收模塊ZigBee 核心電路圖；②接收模塊蜂鳴器電路圖。

3.2 編碼設(shè)計(jì)

（1）設(shè)置PANID 和CHANNEL ID

- DDEFAULT_CHANLIST ＝0x00000800/ /11-0x0B

- DZDAPP_CONFIG_PAN_ID ＝0xFF00

（2）周期性廣播

/ /偽代碼如下

uint16 SampleApp_ProcessEvent（uint8 task_id， uint16 events）｛

/ /編寫(xiě)按鍵處理函數(shù)

/ /開(kāi)始定期發(fā)送周期信息｝

（3）蜂鳴器初始化

P2SEL＆＝～0X01；/ /設(shè)置P2.0 為普通IO 口

P2DIR＆＝～0X01；/ /在P2.0 口，設(shè)置為輸入模式

P2INP＆＝～0x01；/ /打開(kāi)P2.0 上拉電阻

（4）協(xié)調(diào)器按鍵處理程序

void SampleApp_HandleKeys（uint8 shift， uint8 keys）｛if（keys ＆ HAL_KEY_SW_1）｛

/ /本機(jī)按鍵處理函數(shù)｝

（5）發(fā)送按鍵信息數(shù)據(jù)

void SampleApp_SendPeriodicMessage（void）｛

/ /每0.1 s 發(fā)送一次判斷信息｝

（6）終端機(jī)數(shù)據(jù)接收程序

void SampleApp（*pkt）｛

/ /加入LED1 指示數(shù)據(jù)收到

/ /獲取接收到的數(shù)據(jù)值

/ / /處理協(xié)調(diào)器發(fā)送的周期廣播｝

（7）Lcd 顯示

/ /編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)功能，蜂鳴器開(kāi)、蜂鳴器關(guān)

3.3 展示效果

先將所使用到的設(shè)備全部接上電源，等待設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)，在沒(méi)有組網(wǎng)成功時(shí)，設(shè)備的蜂鳴器會(huì)發(fā)出“嘀嘀嘀”的聲響，同時(shí)旁邊的輔助小燈也會(huì)一起閃爍，等待組網(wǎng)成功時(shí)，設(shè)備的蜂鳴器就會(huì)停止發(fā)出響聲。 如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)組網(wǎng)展示效果圖

當(dāng)按下ZigBee 開(kāi)發(fā)板上的按鍵s1 時(shí)，顯示屏?xí)M(jìn)入范圍設(shè)置，如圖3 所示，在這里面可以設(shè)置發(fā)射模塊和接收模塊的最小范圍和最大范圍。 在范圍設(shè)置里面，按鍵s2 是增加范圍，按鍵s3 是減少范圍。 當(dāng)范圍調(diào)整完成后，再次按下s1 即可返回開(kāi)始組網(wǎng)界面。 在組網(wǎng)界面上會(huì)顯示發(fā)射模塊和接收模塊的距離，當(dāng)超過(guò)當(dāng)前設(shè)置的范圍時(shí)，發(fā)射模塊和超過(guò)距離的模塊的蜂鳴器都會(huì)同時(shí)發(fā)出“嘀嘀嘀”的響聲。

圖3 顯示屏發(fā)射模塊和接收模塊最小和最大范圍圖

在組網(wǎng)的界面下當(dāng)按下s2 按鍵，即可進(jìn)入手動(dòng)控制模式，如圖4 所示，在手動(dòng)控制模式下，按下按鍵s3 即可手動(dòng)控制當(dāng)前選擇的模塊來(lái)進(jìn)行手動(dòng)喚醒當(dāng)前模塊蜂鳴器的開(kāi)關(guān)，按下按鍵s2 可以選擇下一個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行同樣的操作。

圖4 界面手動(dòng)控制模式圖

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文研究的基于ZigBee 技術(shù)的無(wú)線組網(wǎng)方式，對(duì)物件找尋系統(tǒng)中無(wú)線通信方式的連接比較有幫助。 提供了自動(dòng)組網(wǎng)和手動(dòng)組網(wǎng)兩種模式，測(cè)試距離在最小范圍和最大范圍內(nèi)靈活調(diào)節(jié)。 隨著人們生活節(jié)奏的加快，這種低成本、效率高的無(wú)線找尋方式更受大眾歡迎，對(duì)于正在研究該項(xiàng)技術(shù)和應(yīng)用的人員也是一種參考。