ZigBee技術(shù)的樹簇網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2 節(jié)點硬件設(shè)計
由于節(jié)點的數(shù)量較大，為了方便生產(chǎn)，將FFD和RFD設(shè)備的主要區(qū)別放在軟件方面；而硬件部分除了協(xié)調(diào)器具有UART接口外，其他都是相同的?？傮w分為核心單元CC2430、傳感器模塊以及電源管理模塊3部分。硬件的總體框圖如圖2所示。

2．1 核心單元CC2430
CC2430是TI公司推出的支持ZigBee協(xié)議的SoC解決方案，可用于各種ZigBee無線節(jié)點，包括協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。它延用了 CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、存儲器和微控制器。CC2430F128內(nèi)嵌增強型8051 MCU，8 KB RAM，128 KBFlash，包含8路ADC、3個定時器、AESl28加密電路，MAC協(xié)處理器、看門狗定時器，以及21個可編程I／O引腳，支持4種不同程度的休眠模式。
2．2 傳感器模塊
(1)溫濕度傳感器
采用瑞士Sensirion傳感器公司推出的SHT1O溫濕度一體傳感器。該傳感器芯片由溫度和濕度探頭、校準存儲器、14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、雙向I／O兩線串行輸出接口組成。其工作電壓為2．4～5．5 V，支持閑時自動低功耗。測濕精度為±4．5％RH，25℃時測溫精度為±0．5℃。SHT10對溫度或濕度的測量由串行輸入的指令確定，測量值的輸出可選擇為8位、12位或14位。
(2)煙霧報警傳感器和人體紅外傳感器考慮到監(jiān)控人員對煙霧和闖入人員的信息需求只限為“有”或“沒有”，因此兩種傳感器只需在事件發(fā)生時傳遞一個脈沖信號即可。此脈沖經(jīng)過濾波限流后輸入CC2430的I／O口，將相應(yīng)的I／O口設(shè)置為上升沿中斷檢測模式即可檢測信號。
煙霧報警傳感器采用SH－533模塊，搭載TP1．1氣體傳感器，附帶蜂鳴器、LED報警指示；工作電壓7～20 V，靜態(tài)電流10 mA，檢測面積為10 m2左右。煙霧觸發(fā)輸出為5 V高電平脈沖信號，由于CC2430工作電壓為3．3 V，所以用電阻對其做了簡單的分壓。
人體紅外傳感器采用sH－912模塊，搭載PIR熱釋電傳感器并配合菲涅爾透鏡使用；工作電壓4．5～20 V，靜態(tài)電流50 μA，感應(yīng)角度110°，最大感應(yīng)距離7 m。紅外觸發(fā)輸出3．3 V脈沖信號。
2．3 電源管理模塊
為保證傳感器采集數(shù)據(jù)的及時傳遞，減小終端在競爭信道過程中產(chǎn)生的碰撞造成能量的損耗，本系統(tǒng)中FFD設(shè)備采用不間斷供電(UPS)。即使在庫房掉電的情況下，F(xiàn)FD設(shè)備也能靠充電電池維持工作。

3 軟件設(shè)計
3．1 Z－Stack簡介
Z－Stack是由TI公司推出的基于ZigBee標準的協(xié)議棧軟件，可在www．focu．ti．com．cn免費下載。它包含了ZigBee標準描述的各層次的功能組件模塊，向開發(fā)人員提供了一系列的API。通過調(diào)用這些API，可以實現(xiàn)ZigBee標準中各層次的相應(yīng)功能?；谶@些功能模塊，可以更便捷地開發(fā)出各種基于ZigBee協(xié)議的應(yīng)用產(chǎn)品。圖3為Z-Stack結(jié)構(gòu)。(注：Z-Stack協(xié)議棧核心的部分，包括安全模塊、路由模塊、Mesh 網(wǎng)絡(luò)支持等，都只以庫的方式提供。)

在終端設(shè)備嵌入式軟件中，操作系統(tǒng)模塊主要實現(xiàn)的是簡單的任務(wù)輪詢和工作調(diào)度的功能，同時還需實現(xiàn)節(jié)點硬件的初始化和功能配置。這個操作系統(tǒng)模塊不是真正意義上的操作系統(tǒng)，而是一個具有操作系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度功能的模塊。該操作系統(tǒng)模塊在Z-Stack中由OSAL組件構(gòu)成。操作系統(tǒng)模塊的任務(wù)調(diào)度具體方式是：首先，為需要實現(xiàn)的功能建立任務(wù)，且每一個任務(wù)有不同的事件。當操作系統(tǒng)運行時，會不間斷地輪詢所有任務(wù)的標志位。若標志位有效，則表明該任務(wù)有事件發(fā)生，調(diào)用任務(wù)事件處理函數(shù)，并在任務(wù)處理函數(shù)中，根據(jù)標志位，判斷是什么事件發(fā)生。然后，系統(tǒng)做出對應(yīng)的操作，最后將標志位清零。
3．2 樹簇拓撲的形成及路徑發(fā)現(xiàn)與維護
由于文章篇幅有限，不能依次介紹方案中比較關(guān)鍵的應(yīng)用層、硬件描述層、NWK層以及OSAL，以下著重描述NWK層的樹簇拓撲的形成以及路徑的發(fā)現(xiàn)與維護。
Z-Stack總共默認65 000個設(shè)備入網(wǎng)。為保證網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的地址是唯一的，使用了分布式尋址方案，由父節(jié)點分配子節(jié)點地址。此種算法保證了控制端的數(shù)據(jù)包能夠精確地發(fā)送到指定設(shè)備，子節(jié)點也只能有一個父節(jié)點，有助于網(wǎng)絡(luò)的可測量性。在網(wǎng)絡(luò)初始化之前，有幾個參數(shù)需要配置，分別是MAX_DEPTH、MAX_ROUTERS 和MAX_CHILDREN[6]。
MAX_DEPTH決定了網(wǎng)絡(luò)的最大深度。協(xié)調(diào)器在最頂層，位于深度0；它的子節(jié)點位于深度1，依此類推。MAX_CHILDREN決定了一個路由器或者一個協(xié)調(diào)器可以處理的最大子節(jié)點個數(shù)。MAX_ROUTERS決定了一個路由器或者一個協(xié)調(diào)器可以連接的最大路由器的個數(shù)。這個參數(shù)是 MAX_CHILDREN的一個子集，終端設(shè)備使用(MAX_CHILDREN-MAX_ROUTERS)剩下的地址空間。圖4為使用自定義棧配置后的網(wǎng)絡(luò)拓撲和節(jié)點地址分配示意圖。LAYER1最多20個節(jié)點，其中包含6個路由節(jié)點。

在網(wǎng)絡(luò)初始化過程中，協(xié)調(diào)器先將自身設(shè)置為一個簇標識符為0的簇頭，并向臨近的設(shè)備以廣播方式發(fā)送信標幀。接收到信標幀的設(shè)備(路由器或終端設(shè)備)向簇頭請求加入網(wǎng)絡(luò)，如果作為父節(jié)點的協(xié)調(diào)器允許該設(shè)備的加入，則將其作為子節(jié)點加入到它的鄰居表中，同時，請求加入的設(shè)備將協(xié)調(diào)器作為父節(jié)點加入到鄰居表中，成為從設(shè)備。已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)的路由器也廣播信標幀，以這種方式，直到所有設(shè)備都接入網(wǎng)絡(luò)。在接入網(wǎng)絡(luò)的同時，廣播信標幀的父節(jié)點會向接人的子節(jié)點分配唯一的 16位網(wǎng)絡(luò)短地址。圖5是網(wǎng)絡(luò)建立和節(jié)點入網(wǎng)流程。
終端設(shè)備沒有路由功能。它需要將數(shù)據(jù)發(fā)送給它的父節(jié)點，父節(jié)點以它自己的名義執(zhí)行路由。當路由器從應(yīng)用層或子節(jié)點收到單點發(fā)送數(shù)據(jù)包時，NWK層會將其傳遞到下層。如果目標節(jié)點是相鄰路由器中的一個，則數(shù)據(jù)包被直接發(fā)送；否則，路由器會檢索它的路由表中與所要傳送的數(shù)據(jù)包的目標地址相符合的記錄。如果存在與目標地址相符合的路由記錄，則數(shù)據(jù)包將被發(fā)往記錄中的下一級地址；如果沒有發(fā)現(xiàn)任何相關(guān)的路由記錄，則路由器發(fā)起路徑尋找，數(shù)據(jù)包存儲在緩沖區(qū)中直到路徑尋找結(jié)束。如果數(shù)據(jù)包沿著某條路由路徑傳送失敗，這個路徑就被認定是壞鏈，父節(jié)點將啟動路徑修復。節(jié)點發(fā)起重新發(fā)現(xiàn)直到下一次數(shù)據(jù)包到達該節(jié)點，標志路徑修復完成。如果不能夠啟動發(fā)現(xiàn)或者由于某種原因失敗了，節(jié)點則向數(shù)據(jù)包的源節(jié)點發(fā)送一個錯誤包(RERR)，它將重新啟動路徑發(fā)現(xiàn)。