基于嵌入式技术技能大赛的ZigBee通信协议研究

季 美，黄 琳

（成都工业职业技术学院 新华三芯云产业学院，四川 成都 610218）

0 引言

嵌入式技术应用开发是全国技能院校技能大赛高职组的常规赛项［1］。通过竞赛，实现嵌入式技术行业企业资源与教学资源的有机融合，使高职院校在专业建设、课程建设、人才培养方案和人才培养模式等方面，跟踪社会发展的最新需要，引领相关专业的教育教学改革与专业建设，缩小人才培养与行业需求的差距，深化专业教学改革［2］。

赛项涵盖的知识点有：嵌入式微控制器编程技术、Android应用开发技术、开源硬件编程技术、二维码采集与识别技术、图像处理技术、网络通信技术、现场总线技术、RFID技术、无线传感技术、数据采集与处理技术、机器视觉技术、红外通信技术、语音控制技术、嵌入式人工智能与边缘计算技术等。

本文选取其网络通信技术中ZigBee无线传感器技术，对赛项中使用到的ZigBee通信协议进行研究和分析，让参与者能够更加深入理解赛项中ZigBee通信的过程与原理。

1 ZigBee无线通信设备介绍

嵌入式技术应用开发竞赛中使用到ZigBee通信的设备主要包括AGV智能小车与沙盘标志物。其中，具有ZigBee功能的沙盘标志物包括LED显示标志物、语音播报标志物、无线充电标志物、ETC系统标志物、道闸标志物、TFT显示标志物、智能车库(A/B）标志物、智能交通灯(A/B）标志物等。

AGV智能小车模仿现代自动智能汽车设计，具有主动的环境感知能力。其构成包括通信显示板、开发板、电机驱动板、核心板、云台摄像头、任务板与循迹板。

其中，通信显示板载ZigBee无线模块与WiFi模块用于与移动设备进行无线通信，摄像头进行网络通信，AGV平台、ZigBee功能标志物进行无线通信。

LED显示标志物只接受消息不进行消息的回传，主要完成计时与距离显示功能。

语音播报标志物主要完成随机语音播报或者指定文字语音播报，回传信息为语音合成的状态。

无线充电标志物主要功能为无线充电开关的控制，与LED显示标志物一样也不进行消息的回传。

ETC系统标志物模拟高速不停车收费系统，回传信息为当前ETC系统闸门状态，当闸门开启后10 s自动关闭闸门。

道闸标志物主要功能为道闸闸门开关控制与车牌数据显示，回传信息为当前闸门的开闭的状态。

TFT显示标志物主要功能为显示图片模式，可以是显示车牌、图形、二维码等，无回传信息。

智能车库(A/B）标志物主要功能为模拟立体车库升降控制，立体车库共4个挡位，最低位置为一挡，最高位置为四挡，挡位调节可通过按钮或无线控制。回传信息为当前车库层数及前后光电开关状态。

智能交通灯(A/B）标志物主要功能为10 s倒计时随机交通信号灯显示或者按键控制固定交通信号灯显示，回传信息为是否进入识别模式。

2 自定义通信协议研究

AGV智能小车与沙盘标志物通过特定的数据结构来进行通信［3］，由于多个沙盘标志物采用一致的数据结构来与AGV智能小车进行通信，在此仅选择道闸标志物来进行说明。

2.1 道闸标志物控制数据结构

当AGV智能小车前进至道闸标志物前时，需要向道闸标志物发送控制指令来操控道闸标志物进行开合，其数据结构如表1所示。

表1 竞赛平台向道闸标志物发送控制指令数据结构

指令数据结构中，主指令与副指令的数据结构说明如表2所示。

表2 指令数据结构说明

2.2 道闸标志物回传数据结构

当道闸标志物接受并执行了后，需要给AGV智能小车回传控制消息，其回传消息数据结构如表3所示。

表3 道闸标志物向竞赛平台回传数据结构

其中，副指令中第二位的数据结构内容如表4所示。

表4 道闸标志物回传数据副指令第二位说明

3 ZigBee协议分析

3.1 星型网络的建立

ZigBee无线传感器网络中存在3种类型的设备［4］，分别为ZigBee协调器、ZigBee路由器与ZigBee终端设备。当ZigBee协调器上电时，在其允许的无线信道上发射信号，从而形成了一个ZigBee网络。此时，ZigBee路由器和ZigBee终端设备可以通过该ZigBee协调器或已经加入网络的ZigBee路由器连入。当ZigBee终端设备不在信号范围内时，可以通过ZigBee路由器与ZigBee协调器连接，从而能够提升通信的距离。与此同时，ZigBee终端设备是不能传递节点间消息的，只能发出和接受属于自己的消息。ZigBee协调器是ZigBee网络的中心设备，负责维护当前网络节点的安全。

ZigBee网络有多种结构，譬如树形网络、星型网络、Mesh网络，这里采用星型网络。小车上面的ZigBee模块充当ZigBee网络的协调器功能，沙盘标志物中的各个使用ZigBee网络进行通信的设备充当ZigBee网络中的终端设备，其网络拓扑结构如图1所示。

图1 星型网络拓扑结构

3.2 通信过程流程图

智能小车上电后，ZigBee网络建立完成，随后不同的沙盘标志物开始加入网络，这样星型网络便建立完成。

当智能小车进行到道闸标志物时，智能小车像道闸标志物发送消息，消息格式如表1所示。当道闸标志物收到AGV智能小车发送的消息后，道闸标志物进行控制后，回传消息给AGV智能小车，其消息格式如表3所示。通过分析表3中副指令的情况，AGV智能小车作出是否通过该标志物的决策。至此，整个通信过程便结束了。

其他沙盘标志物的通信过程同道闸标志物类似。

AGV智能小车的程序流程如图2所示。

图2 协调器工作流程

道闸标志物的程序流程如图3所示。

图3 道闸标志物程序流程

4 结语

ZigBee无线传感器技术涵盖了比赛中沙盘标志物与AGV智能小车之间的无线通信问题。本文介绍了嵌入式比赛中关于ZigBee通信的标志物与AGV小车的联网过程与通信过程，通过自定义通信协议让AGV智能小车与沙盘标志物之间通信过程更加清晰。由于沙盘标志物与AGV智能小车通信过程基本一致，本文重点以道闸为例介绍了ZigBee网络的建立、组网等通信过程，对学习与参加比赛的学生有一定的指导意义。