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

　　3.1 SMAC協(xié)議包簡介

　　Freescale公司提供足夠的軟件支持MC13192硬件，SMAC是MC13192射頻模塊產(chǎn)品隨機附帶的軟件協(xié)議包，用于簡單的個人無線連接。SMAC協(xié)議包源程序是C語言，該協(xié)議包可以應(yīng)用在基于MC13192集成電路的RF收發(fā)器中。協(xié)議包包含一個SMAC應(yīng)用模版以及幾個應(yīng)用示例程序（Wireless UART、Packet Error Rate等），可以直接應(yīng)用于Freescale公司的2.4 GHz無線收發(fā)器*估板（MC13192EVB）。SMAC協(xié)議包雖是建立于HCS08系列的MCU和其串行接口SPI組成的硬件電路，但是具有很好的可移植性，能夠移植到大多數(shù)處理器內(nèi)核中使用。

　　3.2 軟件設(shè)計構(gòu)架

　　當(dāng)MC13192射頻模塊搭配了適合的MCU時，用戶首先要在SMAC協(xié)議包的基礎(chǔ)上弄明白收發(fā)器各個工作狀態(tài)的基本特征，以及各個工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換機制。然后更改SMAC協(xié)議包中硬件接口部分的程序，在主程序中調(diào)用相應(yīng)功能服務(wù)函數(shù)進行組合。整個SMAC協(xié)議構(gòu)架采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的思想，清楚地將MC13192收發(fā)器的休眠、睡眠、空閑、發(fā)送、接收等狀態(tài)抽象并分解出來，收發(fā)器對接收到數(shù)據(jù)的有效信息的相應(yīng)字段進行判斷之后，依據(jù)協(xié)議改變收發(fā)器的工作狀態(tài)。

　　SMAC協(xié)議包是不包含ZigBee規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層的，也就是說該協(xié)議包中不具有組網(wǎng)通信、節(jié)點自主加入的功能程序，使用SMAC協(xié)議包只能夠?qū)崿F(xiàn)無線模塊之間進行無目的的廣播方式的無線通信。要使用MC13192收發(fā)器組建一個有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且能夠與其他的ZigBee產(chǎn)品相兼容，軟件設(shè)計必須嚴(yán)格遵守IEEE 802.15.4協(xié)議，在SMAC協(xié)議包構(gòu)架的基礎(chǔ)上進一步對協(xié)議進行擴展。本文成功實現(xiàn)了非超幀結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)絡(luò)，具體軟件流程如圖4所示。

　　3.3 組網(wǎng)的基本過程

　　PAN協(xié)調(diào)器選定創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的信道后，首先要初始化網(wǎng)絡(luò)的各種屬性，建立協(xié)調(diào)器的PAN信息數(shù)據(jù)庫，分配網(wǎng)絡(luò)ID號和16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，設(shè)定允許設(shè)備入網(wǎng)機制并初始化設(shè)備近鄰表，然后進入接收模式等待其他節(jié)點加入。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上電后，也要初始化內(nèi)部資源并建立其自身節(jié)點的PAN信息數(shù)據(jù)庫之后，發(fā)送掃描信號進而準(zhǔn)備通過MAC層關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)。

　　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點先以廣播方式發(fā)送一個掃描信號，查看當(dāng)前信道是否存在PAN。協(xié)調(diào)器收到廣播信號后會發(fā)送一個確認(rèn)幀。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點若沒有收到確認(rèn)幀就代表當(dāng)前信道還沒有協(xié)調(diào)器，則繼續(xù)處于接收模式，等待協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)該節(jié)點后直接將其加入網(wǎng)絡(luò)；若收到確認(rèn)幀，即存在PAN，該節(jié)點就可以嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)請求命令，收到協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀后，根據(jù)信標(biāo)幀更新自身節(jié)點的信息數(shù)據(jù)庫中的PAN標(biāo)識等相關(guān)屬性，并判斷當(dāng)前PAN協(xié)調(diào)器是否未飽和以及是否允許設(shè)備入網(wǎng)。若協(xié)調(diào)器允許設(shè)備入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就要向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請求命令，嘗試通過關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器收到后把該節(jié)點信息（如64位擴展地址等）寫入設(shè)備近鄰表并向該節(jié)點分配16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。該節(jié)點收到協(xié)調(diào)器的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后，把短地址寫入其數(shù)據(jù)信息庫，即成功入網(wǎng)。然后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按照功能設(shè)定使用此短地址向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般為電池供電，在空閑狀態(tài)時就會進入休眠節(jié)能狀態(tài)。外圍電路的控制主要是針對傳感器、開關(guān)、LED等器件的控制，可隨時根據(jù)不同需求對軟件進行相應(yīng)修改。

　　3.4 調(diào)試及運行

　　MC13192包括4種主動模式：空閑模式、TX模式、RX模式和CCA/能量檢測模式。空閑模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各個模式間轉(zhuǎn)換的起點必須是空閑模式，從該模式起才能轉(zhuǎn)化到其他主動模式。

　　MC13192發(fā)送片上事件給主控MCU通過中斷（IRQ）來完成，作為主機的外部中斷源，主機通過讀MC13192的中斷標(biāo)志寄存器IRQ_status的相應(yīng)標(biāo)志位來判別各個片上事件的發(fā)生。然而IRQ的中斷優(yōu)先級在MCU中僅次于復(fù)位信號，比計數(shù)器中斷、鍵盤中斷等優(yōu)先級都要高，因此當(dāng)程序中涉及其他中斷時,用戶須先屏蔽MCU的外部中斷源（IRQ），再單獨打開要使用的中斷源。

　　4 應(yīng)用

　　目前，本設(shè)計已被應(yīng)用于某紡織車間線路改造的項目中。該車間有200臺紡機，每臺紡機獨立工作。現(xiàn)在工廠要對車間實行統(tǒng)一控制，需要在每臺紡機上安裝.，把紡機數(shù)據(jù)實時上傳給中央控制器。中央控制器通過控制每臺紡機的停車狀態(tài)、車速、打緯次數(shù)、加時產(chǎn)量等信息，進而控制整個車間的運行狀態(tài)。這樣既可提高車間的生產(chǎn)效率，又使車間易于管理。若采用CAN總線等有線網(wǎng)絡(luò)進行控制，由于車間各臺紡機布線通道已經(jīng)固定，且車間的空間較小，這些因素給車間的線路設(shè)計造成了不便，而且走線的過于密*給車間增加安全隱患。

　　ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的引入，解決了該車間布局下的多臺設(shè)備之間不易走線的問題。中央控制器相當(dāng)于PAN協(xié)調(diào)器，而每臺紡機的.相當(dāng)于終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)中只有這兩種角色，不需要增加PAN協(xié)調(diào)器。每臺紡機每0.5 s上傳一次數(shù)據(jù)，而且最遠的紡機距離區(qū)域控制器也在80 m之內(nèi)，這些因素ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)都能夠滿足。網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)答機制和數(shù)據(jù)校驗機制能夠保證紡機數(shù)據(jù)的可靠傳輸，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功耗極低。測試表明，MC13192工作在停止、休眠、睡眠、空閑各模式時的工作電流依次為0.2 μA、1 μA、35 μA、200 μA。采用了低功耗的ZigBee無線技術(shù)之后，車間節(jié)約了大量成本。

　　5 結(jié)論

　　本文利用Freescale公司的8位微處理器MC9S08GT60和射頻模塊MC13192在硬件上實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計。通過對協(xié)議包SMAC進行分析，在原有協(xié)議框架的基礎(chǔ)上對其進行擴展，在軟件上實現(xiàn)了ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的組建。該網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了多個節(jié)點的自動入網(wǎng)、網(wǎng)間可靠通信等功能，并且成功應(yīng)用于紡織車間線路改造的項目中。