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基于嵌入式技术技能大赛的ZigBee通信协议研究

时间:2024-05-04

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。

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