在开始之前，先引用一下我在今年的Windows Embedded正文比赛上的文章-“移动设备中ZigBee接口的实现”。该文章只是介绍了框架性的概念和实现方式，并没有给出过多的细节。在接下去的时间里，我将给出具体的实现原理、方法和步骤，希望能对园子里的朋友有所帮助。

 

 

         ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，是一种介于RFID和Bluetooth之间的技术提案。ZigBee一般采用IEEE 802.15.4收发器与ZigBee协议栈的组合，在数千个微小的节点之间相互协调实现通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。因此，ZigBee在传感器网络、智能家居、工业自动化等领域有广泛的应用。市场研究公司NSR曾发布报告指出，首批具备ZigBee功能的产品将于2006年第一季在北美、欧洲和亚太地区展开，该机构并预估，到2010年，全球将可望部署5.8亿个ZigBee组件，成长非常快速。同样，市调机构In-Stat也曾在2005年发布新闻指出，五年内，ZigBee成长将超过200%。

    在这样的背景之下，很多公司都开始了ZigBee产业化的道路。首当其冲的莫过于Freescale、TI等大公司，TI是收购了chipcon才开始做ZigBee的。目前，我使用过这两家公司的片子，给我的感觉就是，现在这些硬件厂商做东西真是好，发布芯片的同时，给你一堆的参考资料。包括硬件设计（原理图、PCB）和嵌入式软件设计，甚至是生产工艺和流程中的注意事项。所有的这些，都大大降低了入门的门槛，缩短了产品开发周期，从而加速了产品的应用。

    目前，由于各家使用ZigBee技术的设备商采用的应用协议不同，所以目前市场上很少通用的测试设备，执行包括信道检测，数据监听，发送功率等功能。对于ZigBee的测试，很多情况下都是移动的，固定的比较少。所以，我就想到了Windows Mobile设备，既有移动性，又有强大的处理功能，于是我就想到了在Windows Mobile设备上加ZigBee模块的想法。

 

    那么，首先我们来考虑系统的架构吧。如图1所示，按照功能，系统可以分成ZigBee模块和移动设备这两个部分，它们通过串口进行通信。目前，支持串口通信的Windows Mobile设备还是比较多的，特别是一些工业用的PDA，在HP、Dopod等产品中也可以找到。它们执行不同的功能，ZigBee模块负责IEEE 802.15.4信号的发送和接收，移动设备负责数据的处理，并向用户提供有好的UI。

 

                             图1系统组成框图

    目标系统的功能如下：

         1.      信道检测。通过扫描，完成ZigBee技术2.4GHz频段16个信道的状态检测，并返回给UI进行显示。

         2.      发送/接收信道设置。用户通过UI给ZigBee模块发送指令，使之通过设定的信道来发送和接收数据。

         3.      发送/接收数据。用户可以用文本方式或者HEX方式发送数据，并且可以用一定间隔进行连续发送。

         4.      发送功率设置。用户发送数据时，通过UI给ZigBee模块发送指令，可以设定发送的功率大小。

    图1中使用的ZigBee实现方案是比较早的一种，是Freescale的HCS08GB60系列CPU和MC13192系列的IEEE 802.15.4 收发器。目前，Freescale已经推出了单芯片ZigBee，即在单个芯片上集成了MCU和IEEE 802.15.4 收发器，典型的如MC13213。开发起来也没有多大区别，只需要修改一下寄存器映射就可以。TI的片子，如CC2430，设计起来也比较方便，因为它也有串口可以和外部设备进行通信。

 

         ZigBee网络可以使用Star、Mesh和Mesh-Tree这三种拓扑结构，具体可以参考图2.

 

                            图2 ZigBee网络拓扑结构模型

    网络结构不同，其组网复杂程度也就不同。可想而知，Mesh网和Mesh-Tree网肯定会比Star网复杂很多。生产厂商也会根据客户的需求，进行不同程度的支持。以Freescale来说，它提供的最简单的SMAC（Simple MAC）是免费的，但是可以说，这个源工程里面只提供了最简单的API，包括工作状态转换、信道选择、发送功率选择、时钟选择、信道能量和接收信号能量指示（RSSI）等等，没有路由、组网这么一说，你如果想实现，也可以，就得自己写。另外提供的Bee-Stack比较全面，但是是要收费的。

 

                                                  

    继续上一篇”ZigBee On Windows Mobile--1.背景和结构”，今天来讲讲硬件和软件设计。硬件设计主要是做ZigBee模块，输出文件一般包括原理图和PCB图。PCB图是最终给制板厂商的文件，制板厂商将PCB文件转化为Gerb文件进行PCB板加工。软件设计包括两部分，即ZigBee模块中的嵌入式程序和Windows Mobile端的应用程序，这两个软件模块运行在不同的平台之上，硬件上通过UART口进行通信。

    硬件设计使用了比较传统的Protel99se，采用了MC13192+GB60的设计和单芯片MC13213的设计原理图下载链接如下：

      https://files.cnblogs.com/dearsj001/GB60+13192.pdf

      https://files.cnblogs.com/dearsj001/MC13213.pdf

    硬件设计也没有太多可以讲述的，只要按照Freescale给的参考设计，自己根据需求，做相应的小小修改就可以。比较关键的是天线的设计。我们自己没有测试设备（频谱仪一个就10几W），一般而言，就使用给出的参考设计天线，有倒F天线（非平衡式）、双鞭天线（平衡式）等。另外就是板材的选择和板厚也和通信距离有相当大的关系。

    嵌入式软件的设计采用CodeWarrior for HCS08 V3.1 开发环境，运用“前后台系统”的模式，前后台系统的基本思想是：硬件中断函数中只做非常少量而且是绝对必须的操作：如设置中断寄存器、保存数据寄存器等，然后置后台标志位，随即退出中断。这些操作称为“前台操作”。而后台操作是一个开放中断的无限循环。在循环中检查各后台标志位，如果某一标志位被置位，则说明有中断发生，立即调用相应的中断服务任务，这些任务被称为“后台操作”。

主程序流程如下图1所示：

 

 

                                                       

                                                              图1主程序流程图

        TargetInit()执行系统初始化操作，主要包括HCS08的IO、UART和Timer等模块的初始化。ConfigInit()执行配置初始化操作，主要包括SMAC协议和串口通信协议配置。ScheduleLoop()为主调度循环，根据状态来执行不同的任务，如下图2所示。其中的SYS_FEED_DOG()是指喂看门狗操作。

 

                                   

                                                               图2 主调度循环流程图

    在Windows Mobile设备上运行的用户应用程序，主要执行信息交互和显示功能。进一步说，用户要通过UI将命令发送给ZigBee模块，同时，Windows Mobile设备将ZigBee模块的情况通过UI呈现给用户。在Microsoft Visual Studio 2005的IDE下，安装一个最新的Windows Mobile 6 professional SDK，配合自带的Emulator就可以进行开发和调试。软件可以分为几个模块：串口通信部分、界面UI部分和数据处理部分。由于本人比较熟悉C++，所以我选用了native code进行开发，建立一个基于对话框的MFC工程，将需要的控件加入对话框。具体流程如下图3所示。

 

                                                                                                                      

                                                                                                                      图3  Windows Mobile设备应用程序流程图

其中的对话框初始化包括了界面的初始化，要强调的是串口的初始化。我们这里采用的串口参数如下：速率9600bps，1个停止位，无奇偶校验。

工程的运行环境:VS2005 with SP1+.NET CF SP2+windows mobile professional SDK

工程源代码下载：https://files.cnblogs.com/dearsj001/WirelessFutureWM5_Emulator.rar

 

好了，今天就啰嗦到这里，明天继续讲调试，包括设备调试和模拟器调试。Enjoy!

    继续前两篇” ZigBee On Windows Mobile--1.背景和结构”和” ZigBee On Windows Mobile--2.硬件和软件设计”，这次来讲最后一部分，模拟器和实物调试。

    实物调试相对于模拟器调试来说，要简单一点。例如，HP iPaq rx3700系列的PDA，是带串口的，只要配上一根串口线，就可以和外设进行串口通信。如下图1所示，HP iPaq rx3700通过黑色的串口转接线和ZigBee模块相连,右边的ZigBee模块通过电池供电,那样就可以进行调试了。

           图1. 实物调试图

    模拟器调试相对比较复杂一点，在开始这部分的讲述之前，先说说好多朋友问的一个问题，那就是”模拟器到底有多大作用?我可以在模拟器上流畅地跑应用程序么?”对于这个问题，我个人觉得，就目前来讲，模拟器的功能越来越强大，可以做的事情也越来越多，特别是WM6.0的模拟器，其中一个很大的亮点就在于”Cellular Emulator”和”Fake GPS”的引入，我们可以在没有蜂窝电话和GPS硬件支持的情况下，模拟它们的行为，方便了我们应用程序的调试。

    回归我们的话题，讲讲我们这个项目如何在模拟器上来调试。由于Windows Mobile设备和ZigBee模块之间通过串口进行通信，因此，如果我们有办法利用模拟器的串口来调试的话，那样就会方便很多，甚至可以不用一个硬件，在Windows Mobile模拟器上测试我们的应用程序。那么，有这样的方法么？答案是，将Windows Mobile模拟器的串口映射到PC的物理串口设备。如果你的PC机没有串口，那么只能搞个USB转串口的小玩意儿了。如果你的PC机连USB接口也没有，那么，PCI卡槽应该有吧，也可以买个PCI转串口的东东。具体将Windows Mobile模拟器的串口映射到PC的物理串口设备的步骤如下：

        1.打开你的模拟器。

        2.点击"File"->"Configure"。

        3.在"Peripherals"选项卡中进行设置。例如，我要把模拟器的串口0映射到PC机的串口1上，就可以在"Serial port 0"下，选择"COM1".如图2所示.

                                                       图2 .模拟器串口映射设置

         4.点击"OK"。然后Reset模拟器就可以了。

    最好我们调试的PC机有两个串口，将两个串口用交叉线连起来之后，就可以模拟串口通信了。注意是交叉线，而非直连线。所谓交叉线，直白地将就是将串口的2脚和3脚交叉了，也就是将串口1的"发"和串口2的"收"相连，将串口1的"收"和串口2的"发"相连，这样就实现了串口1和串口2的"收发"正常通信。比如将Windows Mobile模拟器的串口映射到PC机的物理串口1，再用串口调试助手或者Windows自带的超级终端控制PC机物理串口2，这样就可以模拟串口通信了。如图3所示。

 

                                                 图3.利用超级终端进行串口调试

   

    好了，至此为止，ZigBee On Windows Mobile就到这里结束，希望能够给园子里的朋友或者有需求的朋友带来一点帮助和启发。有不对的地方，也请指出来，大家相互交流，相互提高。

   

    上篇文章”ZigBee On Windows Mobile—利用CF卡接口外扩”发布以后，有朋友回帖说希望我写一下ZigBee硬件模块的设计方法和流程，今天我们就来学习一下ZigBee模块是如何制作的。

    目前，生产ZigBee芯片的有好几家大公司，TI、Freescale、Atmel和Jennic等均有各自的ZigBee芯片，TI和Freescale用的比较多，设计参考文档也比较全。TI的ZigBee解决方案主页链接如下：http://focus.ti.com.cn/cn/analog/docs/rfifcomponentshome.tsp?familyId=367&contentType=4。其中包括了CC2420、CC2520、CC2430、CC2431和最新的CC2480的设计指南。Freescale的ZigBee解决方案主页链接如下：http://www.freescale.com.cn/ZigBee.asp。包括了IEEE802.15.4收发器MC13192、MC13193和单芯片MC13213、MC13214等的设计指南。

    我觉得这两家的参考设计文档比较齐全，降低了我们入门的门槛和硬件设计的难度。下面我就以Freescale的MC13213为例，说明一下硬件设计流程和方法。

    首先，从整体来看，我们可以将目标设计分为几个模块：电源模块、主芯片模块、天线模块调试接口和外围扩展模块。其中，电源模块、天线模块、调试接口和主芯片模块是必须的，可以用通常所说的”最小系统”来描述。外围扩展模块是根据用户的实际需求自行添加。

         1. 电源模块

    按照MC13213的datasheet，其工作电压范围在2-3.4V，而我们一般使用干电池或者可充电的锂电池供电，这样，我们就需要一个LDO或者DC-DC，它的作用就是将我们的电池电压降到MC13213可以工作的范围内。在这里，我们可以选用TI的76930，不仅因为体积小(SOT23封装)，而且Dropout Voltage的典型值在71mV@100mA。另外，如果用可充电的锂电池的话，需要注意加上保护电路，如下图1所示：

 

                                                                       图1. 电源模块

         2. 主芯片模块

         MC13213本身就包括了MCU和收发器，因此，它的必须外围电路很少。这里需要强调是晶振的选择问题。一般我们使用外部晶振来提供系统时钟，在这里，我选择了16M的无源晶振，如下图2所示：

 

                                                          图2：主芯片电路模块

 

         3. 天线模块

    天线的设计关系到无线信号发送和接收的质量。在Datasheet中，freescale给出了参考天线设计，称为倒F天线。这里需要注意的是：我们可以使用芯片的内部收发开关，也可以使用外部自己加的收发开关。使用外部收发开关，信号的收发效果会更加好一点，但是这样一来，成本也就增加了，即增加了一个收发开关和Balun。这里我的设计是使用了外部收发开关，如下图3所示：

                                                                                                                    图3. 天线电路模块

      

         4. 调试接口

         Freescale有自己的BDM接口，称为background debug module。一般，我们可以在板子上设计插针来实现。但是，考虑到ZigBee模块在很多情况下，它的体积要求很小，这样一来，六个插针的BDM接口就显得臃肿好多。因此，我们这里使用miniUSB接口来外扩。如下图4所示，其中的miniUSB接口还包括了电源、UART的Rx和Tx。

 

                         图4. miniUSB图

 

         5. 外围扩展模块

l 充电管理芯片：如果使用可充电锂电池的话，充电管理芯片是不能少的。这里，我们选用Freescale的MC34673。在CC(恒流)模式下，充电的电流可以通过电阻R6来调整，如下图5所示，具体可以参考其datasheet。

 

                     图5. 充电管理电路模块

l 指示灯：一般可以用指示灯来指示程序运行的状态，也就是程序可以控制的指示灯。指示灯有贴片封装的，也有直插封装的。发光强度有一般的，也有高亮的，我们可以按照实际的需求来选择。

 

l 其他外围电路可以用户自行添加，需要注意的是，我们选择芯片的时候，要考虑其工作电压和电流，因为ZigBee节点的要求就是节能和高效。

 

    今天我写在这里的东西，纯粹是硬件设计上的东西，和Windows Mobile一点关系没有，希望大家不要拍我啊。