Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.2 Zigbee技術(shù)
Zigbee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問(wèn)控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層組成。其物理層和介質(zhì)訪問(wèn)控制層協(xié)議為IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)^[4]，網(wǎng)絡(luò)層和安全層由Zigbee聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開發(fā)應(yīng)根據(jù)用戶自己的需要，對(duì)其進(jìn)行開發(fā)利用^[1，5]。
在無(wú)線通信技術(shù)上，采用免沖突多載波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了無(wú)線電載波之間的沖突。此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。
Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)備，其發(fā)射輸出功率為0～3.6dBm，通信距離為30～70m，具有能量檢測(cè)和鏈路質(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測(cè)結(jié)果，設(shè)備可以自動(dòng)調(diào)整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最低限度地消耗設(shè)備能量。
在組網(wǎng)性能上，Zigbee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡(luò)或者點(diǎn)對(duì)點(diǎn)對(duì)等網(wǎng)絡(luò)。在每一個(gè)Zigbee組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，連接地址碼分為16bit短地址碼或者64bit長(zhǎng)地址碼，具有較大的網(wǎng)絡(luò)容量。
2 Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)
Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)在各種應(yīng)用系統(tǒng)中存在一些現(xiàn)實(shí)的約束^[3,6]：
(1)外形盡量小。芯片的尺寸決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的尺寸。
(2)集成度盡量高。各種傳感器節(jié)點(diǎn)通常需要程序存儲(chǔ)器、靜態(tài)存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器等多種硬件資源。特別是要有足夠大的ROM空間存儲(chǔ)Zigbee協(xié)議棧。
(3)功耗低而且支持休眠模式。是否具有休眠機(jī)制直接關(guān)系到節(jié)點(diǎn)生命周期的長(zhǎng)短，所以芯片必須支持低功耗的休眠狀態(tài)。
(4)運(yùn)行速度盡量快。系統(tǒng)應(yīng)在最短時(shí)間內(nèi)完成工作，從而快速進(jìn)入休眠狀態(tài)，以節(jié)省系統(tǒng)能源。
(5)工作在免費(fèi)的ISM（Industial Scientific Medical）頻段，2.4GHz它是免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無(wú)線電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s。
(6)成本要盡量低。芯片在傳感器節(jié)點(diǎn)成本中占很大的比例。
2.2 基于CC2430的硬件設(shè)計(jì)
目前，常見的Zigbee無(wú)線傳感器平臺(tái)都是由一個(gè)8位或16位的單片機(jī)和Zigbee射頻芯片組成。隨著芯片設(shè)計(jì)的發(fā)展，目前出現(xiàn)了無(wú)線單片機(jī)，即將處理器模塊和射頻模塊集成在同一個(gè)芯片中。Ti-Chipcon公司的CC2430就是其中的代表，其典型應(yīng)用如圖2所示。

CC2430集成了Zigbee 射頻前端、ROM和8051微控制器在一個(gè)芯片內(nèi)，而且大小僅為7mm7mm，這樣就使得設(shè)備集成度高、外圍器件很少、外形很小;在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA，并且支持四種休眠機(jī)制，可以大大地降低功耗；CC2430工作在2.4GHz的免費(fèi)頻段，而且芯片價(jià)格僅為5美元左右，使用成本很低。所以CC2430很符合Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求^[2]。
3 Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 軟件結(jié)構(gòu)
Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的軟件主要由嵌入式操作系統(tǒng)、Zigbee協(xié)議棧和應(yīng)用程序組成，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡(jiǎn)單高效的任務(wù)調(diào)動(dòng)、中斷處理和時(shí)間隊(duì)列管理等，還包括所有硬件的底層驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)等。采用模塊化的設(shè)計(jì)協(xié)議棧，使得整個(gè)系統(tǒng)層次清楚、擴(kuò)展性好、有利于Zigbee技術(shù)的二次開發(fā)。
3.2 協(xié)議棧設(shè)計(jì)
Zigbee協(xié)議棧能夠確保無(wú)線設(shè)備在低成本、低功耗和低速率網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。Zigbee協(xié)議棧的不同層通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)進(jìn)行通信，大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制^[1]。其基本結(jié)構(gòu)如表1所示。

PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊組成，定義了物理無(wú)線信道和MAC層之間的接口。主要功能是啟動(dòng)和關(guān)閉無(wú)線收發(fā)器、能量監(jiān)測(cè)、鏈路質(zhì)量監(jiān)測(cè)、信道選擇、清除信道評(píng)估以及通過(guò)物理介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。
MAC 層為高層訪問(wèn)物理信道提供了點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口，具體功能是信標(biāo)管理、信道接入、時(shí)隙管理、發(fā)送確認(rèn)幀、發(fā)送連接及斷開連接請(qǐng)求。此外，MAC層還為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供了一些方法。
網(wǎng)絡(luò)層主要用于建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接。它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請(qǐng)求。
應(yīng)用層主要為Zigbee技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等，以便對(duì)Zigbee技術(shù)進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用。
由于Zigbee技術(shù)已經(jīng)定義了物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此這三層的實(shí)現(xiàn)通常是類似的。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的不同應(yīng)用都是由基本應(yīng)用組成，如加入網(wǎng)絡(luò)、脫離網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。本文使用IAR Embedded Workbench for 8051軟件編寫了本網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的物理層、介質(zhì)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層程序代碼，其中每層的頭文件定義了該層所支持的服務(wù)與應(yīng)用程序接口。同時(shí)該平臺(tái)還提供了一些應(yīng)用接口，如aplFormNetwork（）、aplJoinNetwork（）、aplSendMSG（）等，用戶可以通過(guò)調(diào)用這些函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的開發(fā)與應(yīng)用。
3.3 代碼示例
Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器在進(jìn)行一些初始化之后，調(diào)用aplFormNetwork（）來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器通過(guò)掃描一個(gè)空信道來(lái)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，然后選擇一個(gè)隨機(jī)的PAN ID并開始監(jiān)聽此信道。同時(shí)協(xié)調(diào)器還有一個(gè)目前連接設(shè)備的列表，以支持其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。
main( ) {
halInit( );//硬件初始化

aplInit( ); // 初始化協(xié)議棧模塊
ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( ); //打開全局中斷
aplFormNetwork( ); //建立網(wǎng)絡(luò)
while(apsBusy( )) {apsFSM( );} //等待網(wǎng)絡(luò)建立成功
while(1) {apsFSM( );} //運(yùn)行協(xié)議棧
}
同樣，Zigbee路由器和終端設(shè)備通過(guò)aplJoinNetwork（）加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中。終端設(shè)備掃描信道找到協(xié)調(diào)器并申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，獲取協(xié)調(diào)器的地址，同時(shí)將本設(shè)備的地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)加入成功后，終端設(shè)備則進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)才被喚醒。
main( ) {
halInit( );//硬件初始化
aplInit( );//初始化協(xié)議棧模塊
ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT( );//打開全局中斷
do {
aplJoinNetwork( );//加入網(wǎng)絡(luò)
while(apsBusy)( )){apsFSM( );}//等待加入網(wǎng)絡(luò)成功
　 }while (aplGetStatus( ) !=LRWPAN_SUCCESS);
while(1) {apsFSM( );} //運(yùn)行協(xié)議棧
}
4 應(yīng)用
Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是具有低成本、低功耗、低速率的短距離的無(wú)線通信網(wǎng)，在實(shí)際應(yīng)用中，通常應(yīng)滿足以下條件：設(shè)備成本低、體積?。皇褂靡淮涡噪姵?；通信覆蓋范圍大、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很小。使用該無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)方便地利用Zigbee技術(shù)開發(fā)應(yīng)用。下面重點(diǎn)介紹基于該平臺(tái)的溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)。
無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)獨(dú)立的終端節(jié)點(diǎn)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和一臺(tái)PC機(jī)組成星形網(wǎng)絡(luò)。其中，傳感器節(jié)點(diǎn)分布于需要檢測(cè)的區(qū)域，負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)的感知和處理，并通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)射出去；協(xié)調(diào)器接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào)，通過(guò)RS-232的串口線送入PC主機(jī)；PC主機(jī)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)及對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。
只要在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)應(yīng)用層的程序就能實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度監(jiān)測(cè)，無(wú)需設(shè)計(jì)物理層、MAC層和網(wǎng)絡(luò)層的代碼。每隔10秒進(jìn)行一次溫度采集，兩次溫度采集期間節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，以減少功耗。某一時(shí)刻對(duì)節(jié)點(diǎn)1加熱，從圖3可以看出，在60秒左右時(shí)，采集的數(shù)據(jù)明顯地增大。而節(jié)點(diǎn)2在時(shí)刻采集環(huán)境溫度，可以看出，采集到的數(shù)據(jù)基本為一直線。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度監(jiān)控可以很好地實(shí)現(xiàn)功能，而且具有低功耗、低速率的特點(diǎn)，布置起來(lái)擺脫了線纜的限制。

本文使用CC2430芯片設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，以低成本、低功耗等為目標(biāo)設(shè)計(jì)終端節(jié)點(diǎn)，采用模塊化的方法設(shè)計(jì)了Zigbee協(xié)議棧，使得該平臺(tái)具有通用性和易開發(fā)性，解決了從系統(tǒng)設(shè)計(jì)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的典型問(wèn)題，加快了Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)和應(yīng)用。