一種ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)
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無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,WSN）被認(rèn)為是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者[2]。傳感器、感知對象和觀察者構(gòu)成了傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個要素。目前用于設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主流網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有Bluetooth，ZigBee和UWB等[3]。相對于現(xiàn)有的無線通信技術(shù)，ZigBee是一種新興的近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用于無線近距離連接。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要應(yīng)用在智能家居、家庭護(hù)理、安全系統(tǒng)和工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。
本文在簡要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議IEEE 802.15.4和ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用Freescale公司提供的完全符合IEEE802.15.4規(guī)范的射頻芯片MC13192，以及超低功耗控制器MC9S08GT60和CF5213，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了符合ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者。
2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議
隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍之內(nèi)通信的要求，這樣就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Personal Area Network，PAN）和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Network，WPAN）的概念。WPAN網(wǎng)絡(luò)為近距離范圍內(nèi)的設(shè)備建立無線連接，把幾米范圍內(nèi)的多個設(shè)備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
2.1 IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)是針對于低速無線個人區(qū)域網(wǎng)（Low-Rate Wireless Personal Area Network,LR-WPAN），把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點(diǎn)目標(biāo)，旨在為個人或者家庭范圍內(nèi)不同設(shè)備之間低速互連提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[4]。
在IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)備所具有的通信能力，可以分為全功能設(shè)備（Full-Function Device，F(xiàn)FD）和精簡功能設(shè)備（Reduced-Function Device，RFD）。RFD主要用于簡單的控制應(yīng)用，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價的實(shí)現(xiàn)方案，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端。FFD一般需要功能相對比較強(qiáng)大的MCU，一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)控制和管理功能。在網(wǎng)絡(luò)中，被稱為PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者（PAN Coordinator）的FFD設(shè)備，是LR-WPAN的網(wǎng)絡(luò)中的主控制器。PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者除了直接參與應(yīng)用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務(wù)。圖1 是IEEE802.15.4網(wǎng)絡(luò)的一個例子，給出了網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的類型以及它們在網(wǎng)絡(luò)中所處的地位。
IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧基于開放系統(tǒng)互連模型（OSI），每一層都實(shí)現(xiàn)一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)只定義了物理（PHY）層和數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。
2.2 ZigBee技術(shù)
ZigBee是一種供廉價的固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag 形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。該技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于自動控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設(shè)備中，同時支持地理定位功能，十分適合用作于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議[5]。
完整的ZigBee 協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟制定，IEEE負(fù)責(zé)制定物理（PHY）層和媒體控制（MAC）層的協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟成立于2 0 0 2 年8 月，由英國Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉（現(xiàn)Freescale）公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入。
3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)總體設(shè)計方案
本方案設(shè)計一個ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)，由一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和若干個網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的管理工作，而終端節(jié)點(diǎn)一方面采集模擬數(shù)據(jù)，同時把這些模擬數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給協(xié)調(diào)者。
圖2大致描述了本方案的實(shí)現(xiàn)效果：在PAN協(xié)調(diào)者的無線覆蓋范圍之內(nèi)，布置若干（小于255）個網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和相互通信。
由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)由電池供電，因此低功耗是一個必須的要求。Freescale公司是ZigBee聯(lián)盟的重要成員和ZigBee技術(shù)的市場推廣者，為ZigBee提供“一站式”的解決方案，包括完全符合IEEE802.15.4規(guī)范的射頻芯片MC13192/3，以及針對該市場推出的超低功耗控制器系列：基于 S08核的超低功耗8位單片機(jī)MC9S08GX系列和32位的ColdFire521X系列。本文采用MC13192作為RF射頻模塊，網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的主控MCU分別使用MC9S08GT60和CF5213。
MC13192是一種短距離、低功耗，工作在2.4GHz ISM（Industrial、Scientific、Medical）頻段的無線收發(fā)器。它含有完全符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層模塊，可用于P2P、star和mesh網(wǎng)絡(luò)。配上一款合適的MCU后，可提供一種性價比極高的短距離數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的解決方案。MC13192與MCU的接口簡單，只需四線的SPI：一個IRQ中斷請求線和三個控制線。MCU對MC13192的配置和控制命令通過SPI進(jìn)行。
4 硬件設(shè)計和實(shí)現(xiàn)
4.1 終端節(jié)點(diǎn)模塊硬件設(shè)計
網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)主要由下列部件組成：低功耗微控制器 MC9S08GT60，射頻通信模塊，由電源電路、復(fù)位電路及晶振電路組成的支撐電路，以及兩個串行通信接口。終端節(jié)點(diǎn)可通過串行通信接口與PC通訊，下載寫入程序，配置數(shù)據(jù)等。負(fù)責(zé)無線通信的射頻通信模塊采用的射頻芯片是MC13192。
GT60的CPU采用HCS08 核，最高總線頻率可達(dá)40MHz；增加了16位指令，能靈活方便的訪問 16位HX寄存器。同時支持1個WAIT和3 個STOP模式，對低功耗模式提供更全面的支持。GT60的存儲器具有60K的FLASH和4K的片上RAM，足夠容納完整的Zigbee協(xié)議棧。另外它還具有背景調(diào)試模塊：能利用單線對HCS08核的系列MCU進(jìn)行方便地寫入和調(diào)試，加快開發(fā)的速度且大大降低了調(diào)試的難度。
GT60和MC13192的接口電路有8根線：4線的SPI接口用于相互通信，一根中斷線和3根控制線。SPI通信時，MC13192只能作為從機(jī)，因此對于MCU而言，MOSI線是發(fā)送數(shù)據(jù)線而MISO線是接收數(shù)據(jù)線，SPI的同步時鐘由GT60在SPSCK管腳上給出，連接到MC13192的SPICLK上。MC13192上產(chǎn)生的所有中斷事件，通過芯片上的IRQ管腳連接到GT60的IRQ管腳上。ATTN管腳用于MCU將MC13192從低功耗模式下喚醒，而RXTXEN管腳則用來使能MC13192的收發(fā)器。在通常情況，為了降低功耗，射頻芯片的收發(fā)器都是關(guān)閉的，只有在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時候才使能，這樣能大大降低射頻芯片的功耗。當(dāng)射頻芯片工作異常的時候，MCU也可以通過RSTB管腳來硬件復(fù)位射頻芯片。這3根控制線都由GT60的GPIO口來進(jìn)行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必須用10KΩ的電阻上拉，防止毛刺來干擾MC13192的正常工作。圖3為線路連接的邏輯示意圖。
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