組建SMAC協(xié)議構(gòu)架的ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)

在Freescale公司SMAC協(xié)議構(gòu)架的基礎(chǔ)上提出一種組建ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的有效方法。本文給出了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件構(gòu)成，詳細(xì)分析了網(wǎng)絡(luò)組建的軟件設(shè)計思想；并將該無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于某紡織車間線路改造的項目中，解決了原車間布局下的多臺設(shè)備之間不易走線的問題，大大降低了成本。

　　引言

　　ZigBee技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù)，功耗低、成本低、易應(yīng)用，工作在2.4 GHz頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù)。ZigBee被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的無線技術(shù)。目前市場上已經(jīng)有多家公司提供ZigBee產(chǎn)品，可是大多功能齊全的ZigBee無線通信系統(tǒng)（含協(xié)議棧）的價格卻比較昂貴，單獨的ZigBee模塊又不具有組網(wǎng)通信、節(jié)點自主加入的功能，這在很大程度上限制了ZigBee產(chǎn)品應(yīng)用的靈活性和廣泛性。本文在Freescale公司的SMAC協(xié)議包的軟件構(gòu)架的基礎(chǔ)上，采用MC13192 RF收發(fā)器成功組建了一個ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中，多個通信節(jié)點能夠自由入網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。并且各個節(jié)點在軟件和硬件上有著良好的可擴(kuò)展性，能夠接入多路傳感器信號組網(wǎng)通信。

　　1 星形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系

　　星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，所有終端設(shè)備都與唯一的中央控制設(shè)備（PAN協(xié)調(diào)器）通信，終端設(shè)備之間的通信通過PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備要么是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠瘘c，要么是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點。

　　網(wǎng)絡(luò)中必須有一個PAN協(xié)調(diào)器，它在網(wǎng)絡(luò)建立之前先對網(wǎng)絡(luò)的各個屬性初始化并建立協(xié)調(diào)器的描述符表，然后等待終端設(shè)備入網(wǎng)。星形網(wǎng)絡(luò)由于沒有路由器，最多只能允許255個終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時，必須先把數(shù)據(jù)包發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器，PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)數(shù)據(jù)包中的源地址字段查詢近鄰設(shè)備列表，判斷該終端設(shè)備是否已在網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)近鄰設(shè)備列表中存在該設(shè)備時，就說明該終端設(shè)備已經(jīng)處在網(wǎng)絡(luò)中，然后PAN協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。若數(shù)據(jù)包的目的地址字段為PAN協(xié)調(diào)器，則PAN協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)包并處理其信息字段；若數(shù)據(jù)包的目的地址字段為其他終端設(shè)備，則PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)數(shù)據(jù)包中的目的地址字段是否為終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。在星形網(wǎng)絡(luò)中，PAN協(xié)調(diào)器使用不間斷電源（UPS）供電，而其他設(shè)備采用電池供電。

　　2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計

　　不論是協(xié)調(diào)器還是終端設(shè)備，硬件設(shè)計上大體是一致的，只是外圍電路根據(jù)不同環(huán)境需要稍作改動。在工作模式下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收/發(fā)時間極短；而在非工作模式時，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點又處于休眠模式。而且設(shè)備的搜索、休眠激活和信道接入時延（分別為30 ms、15 ms、15 ms）都很短，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功耗極低，非常省電。圖2為硬件設(shè)計的基本框圖。

　　2.1 中央處理單元

　　MCU選用Freescale公司的8位微控制器MC9S08GT60，內(nèi)部總線頻率高達(dá)20 MHz，完全能夠支持高實時性的射頻模塊。60 KB的Flash足夠容納ZigBee協(xié)議棧。10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊用于對傳感器信號的數(shù)據(jù)采集。2個串行通信接口（SCI）用于和上位機(jī)進(jìn)行通信。串行外設(shè)接口（SPI）用于MCU和射頻模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞。每個功能模塊動作完成后都能向MCU申請中斷，因此很少需要CPU干預(yù)。

　　2.2 射頻通信模塊

　　射頻通信模塊選用Freescale公司的MC13192 RF收發(fā)器，它內(nèi)部包含了完整的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層（PHY）調(diào)制解調(diào)器，用于支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的點對點、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信。通信中，該收發(fā)器的包差錯率在1.0%時，輸出功率小于-92 dBm（典型值），遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的-85 dBm。

　　2.3 MCU與射頻模塊的接口

　　MC13192的控制和數(shù)據(jù)傳送依靠4線串行外設(shè)接口（SPI）完成，其4個接口信號分別是MOSI、MISO、CE、SPICLK。主控MCU通過控制信號ATTN退出睡眠模式或休眠模式，通過RST來復(fù)位收發(fā)器，通過RXTXEN來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，或者強(qiáng)制收發(fā)器進(jìn)入空閑模式。接口示意圖如圖3所示。