基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

作者：梁光勝，劉丹娟，郝福珍

目前GSM和3G等無線移動(dòng)通信技術(shù)以及藍(lán)牙、WiFi、Ad-hoc等無線局域網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，但其設(shè)備系統(tǒng)復(fù)雜，功耗較大、成本很高，不適合應(yīng)用在一些低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的場合，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭自動(dòng)化以及玩具等領(lǐng)域。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在通信過程中只需一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，用以建立網(wǎng)絡(luò)并管理和協(xié)調(diào)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，而無需成本高昂、體積龐大的基站。該網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者既是網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(diǎn)，又可作為網(wǎng)絡(luò)與其他有線或無線網(wǎng)絡(luò)互連的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。ZigBee是一種低復(fù)雜度、低功耗和低成本的低速率無線連接技術(shù)，基于ZigBee技術(shù)的無線系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用已成為研究熱點(diǎn)。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線組網(wǎng)通信技術(shù)。它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)與藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它有自己的無線標(biāo)準(zhǔn)，通過數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳送到另一個(gè)傳感器，所以通信效率非常高。ZigBee是一個(gè)由多達(dá)65 000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，類似移動(dòng)通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。其中每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基站，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信；整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡(luò)連接。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

2．1 硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖l為ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)總體框圖，該系統(tǒng)由CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成。CC2430射頻器件模塊由CC2430器件和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。雖然CC2430內(nèi)部集成有無線收發(fā)器和805l內(nèi)核，可以簡化電路設(shè)計(jì)，在單片機(jī)和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在空曠地面的通信距離是lO～100 m，這個(gè)距離有時(shí)不能滿足應(yīng)用需要。在CC2430器件與天線之間加一級(jí)接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳送距離。

2．2 CC2430器件模塊

CC22430器件模塊的電路原理如圖2所示。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復(fù)位電路。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，這里由內(nèi)部電路提供，需外加晶體振蕩器和 2個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。R2和R3為偏置電阻，電阻R3主要用來為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。用1個(gè)32 MHz的石英諧振器（X1）和2只電容（C9和C10）構(gòu)成1個(gè)32 MHz的晶振電路。用1個(gè)32．768 kHz的石英諧振器（X2）和2個(gè)電容（C7和C8）構(gòu)成1個(gè)32．768 kHz的晶振電路。CC2430射頻信號(hào)的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負(fù)載是115+j180 Ω，阻抗匹配電路應(yīng)根據(jù)該數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。設(shè)計(jì)采用50Ω單極子天線，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個(gè)端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路 （平衡／非平衡轉(zhuǎn)換電路）完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感（L1、L2，L3）和電容（C15、C17、C26）構(gòu)成。

CC2430內(nèi)部使用1．8 V工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備，外部數(shù)字I／O接口使用3．3 V電壓，以保持和3．3 V邏輯器件兼容。CC2430片上集成有自流穩(wěn)壓器，能將3．3 V電壓轉(zhuǎn)換為1．8 V電壓，這樣只有3．3 V電源的設(shè)備無需外加電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。C1、C11、C15等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高器件的工作穩(wěn)定性。

2．3 無線收發(fā)模塊

CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?hào)，由 RXTX_SWITCH信號(hào)控制2個(gè)邏輯開關(guān)，選通功率放大電路（PA），放大后的信號(hào)從天線發(fā)射出去。接收信號(hào)時(shí)，在RXTX_SWITCH信號(hào)控制下，從天線接收的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大電路（LNA） 放大，巴倫電路轉(zhuǎn)換，由RF_P、RF_N端口接收。圖3為無線收發(fā)模塊與CC2430的連接框圖。

無線收發(fā)模塊的電路原理如圖4所示。該電路主要由2個(gè)邏輯開關(guān)電路、功率放大電路（PA）、低噪聲功率放大電路（LNA）、阻抗匹配電路、電源濾波電路及偏置電路組成。功率放大電路采用Bubec公司的功放UP2202V，該器件由3．3 V電源供電，與CC2430供電電源相同，無需另外設(shè)計(jì)電源電路，l dB壓縮點(diǎn)輸出功率為23 dBm，線性增益為26 dB，內(nèi)部輸入已匹配到50Ω。

低噪聲功率放大電路采用Bubec公司的UA2723，該器件采用3．3 v電源供電，內(nèi)部輸入輸出均已匹配到50 Ω，設(shè)計(jì)時(shí)無需阻抗匹配，頻率范圍是0．05～4 GHz，在2．2 GHz時(shí)功率增益是20 dB，在2．5 GHz時(shí)1 dB壓縮點(diǎn)輸出功率大于-1．5 dBm。

為了保證低噪聲功率放大器的靈敏度，3.3 V電源經(jīng)Richtek公司的超低噪聲，低靜態(tài)電流電源調(diào)整器RT919333PB調(diào)整后再送給UA2723，如圖5所示。

3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

3．1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議由一組子層構(gòu)成。每層為其上層提供一組特定的服務(wù)；數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供一系列基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)包括：ZigBee應(yīng)用層、ZigBee網(wǎng)絡(luò)層、IEEE．802．15．4 MAC層和IEEE802．15．4 PHY層。IEEE．802．15．4 2003標(biāo)準(zhǔn)定義最下面的2層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層框架主要包括3部分：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。

3．2 ZigBee信道分配

ZigBee的通信頻率在物理層規(guī)范，在不同的國家或區(qū)域ZigBee提供了不同的工作頻率范圍，其所使用的頻率范圍為2．4 GHz和816／915 MHz。因此，在ZigBee中定義2．4 GHz和816／915 MHz 2個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，它們都基于直接序列擴(kuò)頻（DSSS） 技術(shù)。

這里采用全球統(tǒng)一的2．4 GHz波段，無須申請(qǐng)ISM頻段，適合ZigBee設(shè)備推廣及降低生產(chǎn)成本。2．4 GHz物理層采用16相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250 kb／s的傳輸速率，提高數(shù)據(jù)吞吐量，縮短通信時(shí)延和數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間，降低功耗。

3．3 網(wǎng)絡(luò)的建立與加入

ZigBee設(shè)備通過NLME-NETWORK-FORMATION．request原語來啟動(dòng)一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的建立過程。僅當(dāng)具有ZigBee協(xié)調(diào)器能力且當(dāng)前無與網(wǎng)絡(luò)連接的設(shè)備，才可嘗試建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)。如果此過程由其他設(shè)備開始，則網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體將終止該過程，并向其上層發(fā)出非法請(qǐng)求報(bào)告。

該步驟通過發(fā)出狀態(tài)參數(shù)為INVAUD_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION．confirm原語來完成。只有當(dāng)設(shè)備為 ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器時(shí)，才能試圖允許設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的連接?？赏ㄟ^NLME-PERMIT- JOINING．request原語允許連接。

3．4 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先按照協(xié)議中規(guī)定的幀形式構(gòu)建幀數(shù)據(jù)。幀數(shù)據(jù)包括幀頭和幀內(nèi)容。其中幀頭包括幀類型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID 等信息。幀構(gòu)建好后調(diào)用MAC層的原語MCPS-DATA．request，并將接收到的結(jié)果通過MCPS-DATA．confirm返回。在Z- Stack中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都必須通過應(yīng)用層調(diào)用。應(yīng)用層提供的Flash發(fā)送函數(shù)，其程序如下：

為了接收數(shù)據(jù)，設(shè)備必須打開其接收機(jī)。上層使用NLME-SYNC．request原語初始化設(shè)備，打開其接收機(jī)，該原語將引起網(wǎng)絡(luò)層使用 MLME-POLL．request原語對(duì)其父設(shè)備進(jìn)行輪詢。ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器的網(wǎng)絡(luò)層必須在最大程度上保證任何時(shí)間接收機(jī)總是處于接收狀態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)層使用NLDE-DATA．indication原語向其高層表明所接收到的數(shù)據(jù)幀。一旦接收到幀信息，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體將會(huì)檢查幀控制域中安全子域的值。如果該值不為零，則網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體將把該幀傳送到安全服務(wù)提供單元，并根據(jù)所指定的安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行安全處理。

接收到Flash發(fā)送方式的數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡(luò)層會(huì)根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)計(jì)算小燈閃爍的數(shù)據(jù)間隔，其源函數(shù)程序如下：

4 結(jié)束語

將本文所設(shè)計(jì)的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于軍用車載記錄儀，用來向基站傳送車的速度，油量，水溫，行駛路程等數(shù)據(jù)。經(jīng)測量，在距離基站292 m以內(nèi)的地方，數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確地傳送到基站，基本達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)簡單、開銷小、應(yīng)用范圍廣，適用于家庭自動(dòng)化、健康醫(yī)療服務(wù)、無線自動(dòng)讀表系統(tǒng)、智能小區(qū)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線工業(yè)控制、智慧型標(biāo)簽等領(lǐng)域。例如在精確農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)使用孤立的、無通信能力的機(jī)械設(shè)備，主要依靠人力檢測作物的生長狀況，而采用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將逐漸轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠(yuǎn)程控制的設(shè)備來耕種。

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