作者：王平, 吳怡 ,施文灶, 程明傳, 江華麗

1 概 述

無線通信的方式有多樣，與藍牙、Wi-Fi、GSM移動通信方式相比，ZigBee聯(lián)盟制定的 ZigBee方式具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、兼容性好、實現(xiàn)成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點，非常適合低速率傳輸?shù)臒o線傳感器網(wǎng)絡。ZigBee聯(lián)盟成立于 2001年，2002年Invensys公司、三菱電氣公司、摩托羅拉公司以及飛利浦半導體公司加盟，現(xiàn)在正迅速發(fā)展壯大。該聯(lián)盟在基于IEEE 802．15．4的PHY層、MAC層及數(shù)據(jù)鏈路層之上，研究開發(fā)適合無線傳感器網(wǎng)絡的其他高層協(xié)議。

物理層的2個標準是2．4 GHz和868／915 MHz，都基于直接序列擴頻DSSS（Direct Sequence Spread Spec-trum）技術，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。2．4 GHz波段為全球統(tǒng)一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。它的物理層通過采用16相高階調制技術能夠提供250 kb／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。

ZigBee聯(lián)盟定義了兩種物理設備類型：全功能設備FFD（Full Function Device）和精簡功能設備RFD（Re-duced Function Device）。ZigBee網(wǎng)絡的星型拓撲結構通常由1個FFD和若干RFD組成。FFD充當網(wǎng)絡協(xié)調器功能，其他設備只與協(xié)調器通信，由協(xié)調器決定處理要做的事情。如果某個終端設備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器，然后由協(xié)調器將數(shù)據(jù)轉發(fā)到目標接收器終端設備。通過FFD接力傳送，網(wǎng)絡又可以擴展成其他拓撲結構，如圖1所示。

隨著ZigBee的研究發(fā)展，2005年，各大芯片制造商紛紛推出了符合ZigBee標準的收發(fā)模塊和通信套件，但是目前只有挪威Chip-con 公司 （CC2420/CC2430和CC2500／CC2550等）、美國Freescale Semiconductor公司（MC13192和MC13193）、美國CompXs公司（ML7065）和美國Ember公司（EM2420）四個原始設備生產商（OEM）的ZigBee套件符合聯(lián)盟規(guī)定的標準。2007年德州儀器（TI）宣布推出ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）的免費下載版本。

2 設計與調試

2．1 研究目標

網(wǎng)絡協(xié)調器的主要功能是協(xié)調建立網(wǎng)絡，其他功能還包括：傳輸網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡節(jié)點及存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息，并且提供關聯(lián)節(jié)點之間的路由信息；此外，網(wǎng)絡協(xié)調器要存儲一些基本信息，如節(jié)點數(shù)據(jù)設備、數(shù)據(jù)轉發(fā)表及設備關聯(lián)表等。

問題是，目前ZigBee協(xié)議主要在低端8位或16位單片機上實現(xiàn)。對于網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點而言，其數(shù)據(jù)處理能力不強，且限于自身的硬件資源，很少能實現(xiàn)良好的人機交互界面。對功能要求較高的ZigBee協(xié)調器，這種構架很難滿足應用的需求。而基于PC機的網(wǎng)絡協(xié)調器節(jié)點，不但體積大、價格高而且功耗大，對于傳輸率不大的傳感器網(wǎng)絡來說十分浪費資源，所以開發(fā)基于ARM系列嵌入式芯片為核心微處理器的網(wǎng)絡協(xié)調器是很有必要的。實驗基于星型結構，在實現(xiàn)RFD功能的基礎上，開發(fā)基于ARM9嵌入式的網(wǎng)絡協(xié)調器，提供3．5英寸TFTLCD觸摸屏作為人機交互，顯示其他各節(jié)點的工作狀況、測試參數(shù)情況，為日后高級應用提供平臺。

2．2 協(xié)調器硬件結構

本設計射頻芯片選用挪威Chipcon公司的CC2420（2．4 GHz，支持250 kb／s數(shù)據(jù)傳輸率）。微處理器采用S3C2440嵌入式工業(yè)級芯片。硬件框圖如圖2所示，ARM（左）+RFD（右）=ARM嵌入式網(wǎng)絡協(xié)調器。

2．3 協(xié)調器軟件結構

采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，在TI公司ZigBee協(xié)議?；A上，在原Bootloader、Kernel上修改文件系統(tǒng)，添加GUI應用程序，并修改系統(tǒng)啟動腳本使應用程序在系統(tǒng)啟動時自運行。網(wǎng)絡協(xié)調器的實現(xiàn)過程中使用多線程技術，串口數(shù)據(jù)收發(fā)、GUI顯示與按鈕響應、ZigBee節(jié)點掉線檢測3 個線程并發(fā)，提高系統(tǒng)響應速度。軟件結構如圖3所示。

2．4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

MAC幀格式由以下基本部分組成：

①MAC層頭幀（MAC Header，MHR），包含幀控制域、序列號和地址信息；

②MAC凈載荷（長度可變），包含的信息指定了幀的類型；

③MAC層幀尾（MAC footer，MFR），包含了一個幀校驗序列。

其中，MHR有固定的順序，并不是所有的幀都包含地址域。一般的MAC幀格式如圖4所示。

2．5 系統(tǒng)ZigBee幀格式的定義與分析

在RFD的設計中，ZigBee設備采用16位短地址，負載來自光敏電阻的采樣電壓值，為2字節(jié)，F(xiàn)CS由CC2420自動校驗。所以，本設計中使用的幀長度為15字節(jié)。定義ZigBee幀的數(shù)據(jù)格式如下：

將RFD節(jié)點和PC通過串口連接起來，通過串口調試助手可以觀察到類似下列格式的幀：

41 88 0A 01 OO 01 OO 00 OO 00 00 E2 03 F9 EB

前2字節(jié)（88 41）為幀控制域，第3字節(jié)（OA）為幀序列號，4～5字節(jié)（00 01）為目的地址的PAN ID，6～7字節(jié)為目的地址（00 01），8～9字節(jié)（00 00）為源地址的PAN ID，10～11字節(jié)（00 00）為源地址，12～13字節(jié)（03E2）為負載，14～15字節(jié)（F9 EB）為校驗位。

2．6 協(xié)調器的數(shù)據(jù)流程和軟件流程

通過天線接收RFD傳輸過來的數(shù)據(jù)幀，經過CC2420自動校驗。若無誤則經過解碼、譯碼，然后經過SPI接口送往ATmega128L，再經過串口UART1送往S3C2440，經數(shù)據(jù)處理后顯示于相應的LCD觸摸屏上。協(xié)調器軟件流程如圖5所示。

3 實驗結果

當有兩個RFD進入網(wǎng)絡協(xié)調器的監(jiān)測范圍，LCD中便顯示兩個綠色小球，以及相應的地址、數(shù)據(jù)等信息。同理，當移開或停止RFD工作，兩個綠色小球便同時從LCD中消失。

4 總 結

本設計參考TI公司的ZigBee協(xié)議棧，在完成RFD功能后加入ARM9芯片及外圍電路擴展成為無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調器。此協(xié)調器功能豐富：LED可指示工作狀態(tài)，處理器可提高運算速度，LCD可人機交互，網(wǎng)口可連接Internet。所以不但可提升網(wǎng)絡的整體性能，還為日后應用提供了基礎。傳感器網(wǎng)絡的應用前景非常廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復雜機械監(jiān)控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域。隨著傳感器網(wǎng)絡的深入研究和廣泛應用，傳感器網(wǎng)絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。

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