LM3S9B96與CC2520平臺上的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)及應用

摘要：ZigBee技術(shù)是基于IEEE802．15．4的一種新興的短距離、低功耗、低成本和低速率的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的物理載體，如何實(shí)現眾多網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的智能化接入成為關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文提出了LM3S9B96+CC2520平臺上無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)的智能化設計，分析了ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)與數據通信技術(shù)，并實(shí)現了智能泊車(chē)引導系統的應用。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；ZigBee；LM3S9B96；CC2520；CC2530

引言
基于IEEE802．15．4標準的ZigBee短距離低速無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)協(xié)議將低速率、低功耗、低成本作為主要研究目標，是目前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的重要支撐協(xié)議之一。針對ZigBee無(wú)線(xiàn)短距離低功耗解決方案，雖然目前已經(jīng)有好幾家大半導體公司設計、生產(chǎn)了相應的無(wú)線(xiàn)芯片并提供了對應的支持協(xié)議棧，但是目前的ZigBee網(wǎng)絡(luò )多是采用性能較低、存儲容量較小的8／16位微控制器來(lái)實(shí)現的。然而，ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的中心控制節點(diǎn)往往要分析、處理網(wǎng)絡(luò )中通信的大量數據，在一些對實(shí)時(shí)及高效率有嚴格要求的應用場(chǎng)合，有必要采用高性能的微處理器作為節點(diǎn)的數據處理單元。TI公司Stellaris MCU內部擁有一個(gè)32位ARM Cortex-M3處理器核，ARM Cortex-M3核具有高速的處理速度且支持芯片廠(chǎng)商自己擴展豐富的外設，比如網(wǎng)口、USB口、LCD等。同時(shí)，Stellaris系列微控制器包含了100多種可以向全球供貨的32位ARM核的MCU。本文選用基于32位ARM Cottex-M3核的微控制器LM3S9B96作為無(wú)線(xiàn)芯片CC2520的微控制器單元構成協(xié)調器節點(diǎn)，另將8051核的SoC CC2530芯片模塊作為終端采集節點(diǎn)。通過(guò)配置節點(diǎn)設備環(huán)境，實(shí)現了ZigBee協(xié)議下的終端數據采集及星型、樹(shù)型下的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信功能，驗證了不同規格的ZigBee無(wú)線(xiàn)模塊在同一協(xié)議棧環(huán)境下能夠正常組網(wǎng)通信，廠(chǎng)商提供的不同ZigBee設備可進(jìn)行互操作。

1 ZigBee應用體系結構
本平臺采用ZigBee標準技術(shù)，其具體應用體系結構如圖1所示。其中，硬件實(shí)體層主要由處理器模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊構成，區別于協(xié)調器或路由器的全功能設備，作為精簡(jiǎn)功能設備的終端節點(diǎn)一般還需再配上傳感器硬件模塊以實(shí)現數據采集；OSAL軟件功能模塊作為T(mén)IZ-Stack協(xié)議棧中的操作系統抽象層，統一管理協(xié)議棧的運行以及各種任務(wù)事件的響應；ZigBee協(xié)議棧運行于OSAL抽象系統之上，該協(xié)議棧是由層來(lái)量化表示其整個(gè)協(xié)議標準的，每一層負責完成所規定的任務(wù)，并且向上層提供相應的數據接口及服務(wù)；ZigBee技術(shù)體系結構主要由物理(PHY)層、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)層、ZigBee網(wǎng)絡(luò )(NWK)層以及應用(APL)層構成，其中物理層與媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層協(xié)議為IEEE 802．15．4協(xié)議標準，網(wǎng)絡(luò )層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，而應用層的應用則根據用戶(hù)自己的應用需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。

在應用系統設計過(guò)程中，考慮到LM3S9B96的優(yōu)良特性以及作為協(xié)調器對硬件節點(diǎn)的高性能要求，用該開(kāi)發(fā)板來(lái)控制CC2520無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，并把LM3S9B96+CC2520作為協(xié)調器節點(diǎn)，這也是TI公司提供的新的32位無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)方案。同時(shí)，將集成了一個(gè)8051核及射頻電路的CC2530無(wú)線(xiàn)模塊作為路由和終端節點(diǎn)，終端節點(diǎn)的傳感器則采用E18-D80NKDC-5V反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，以此構成ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)的硬件平臺。在ZigBee協(xié)議棧選擇方面，CC2520及CC2530使用的是TI公司設計的符合ZigBee2007／PRO標準系統的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack是最新功能的協(xié)議棧產(chǎn)品，在互操作性、節點(diǎn)密度管理、數據負荷管理、頻率捷變等方面有重大進(jìn)步，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )和低功耗等特點(diǎn)。在應用程序模塊中，通過(guò)E18-D80NKDC-5V反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器進(jìn)行障礙物檢測，利用CC2530終端節點(diǎn)與LM3S9B96協(xié)調器進(jìn)行ZigBee星型網(wǎng)通信，構建了智能泊車(chē)引導系統。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)結構
2．1 硬件模塊介紹
TI公司的CC2520、CC2530芯片是符合ZigBee技術(shù)的具有高集成度的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器件，CC2520和CC2530芯片的PHY與MAC層協(xié)議符合IEEE 802．15．4標準，模塊可工作在2 394～2 507 MHz的2．4 GHz ISM免費頻段。該頻段可提供16個(gè)物理通信信道，工作速率可達到250 kbps，碼片速率為2 Mchip／s。CC2520和CC2530無(wú)線(xiàn)芯片均是有著(zhù)低功耗的特點(diǎn)，在接收數據幀時(shí)電流消耗僅為18．5 mA，其輸出功率編程可控，最大輸出功率可達5 dBm，此時(shí)電流消耗33．6 mA，支持IEEE802．15．4標準與ZigBee協(xié)議。芯片的RF電路部分還提供豐富的硬件功能支持，如封包處理、數據緩沖、爆發(fā)傳輸、數據加密、數據驗證、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和封包時(shí)間信息，可大幅減輕主機控制器的作業(yè)負荷。
TI公司LM3S9B96微控制器內含DMA、數字／模擬轉換器(DAC)和模擬／數字轉換器(ADC)等功能模塊且提供以太網(wǎng)、CAN及USB口通信，又兼具高性能及超低功耗的特點(diǎn)，能為ZigBee應用提供良好的硬件支持。無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的具體硬件結構如圖2所示。

2．2 無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)平臺分析
通過(guò)了解IEEE802．15．4標準、ZigBee規范，并在此理論基礎上研究TI公司的標準ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，對其底層驅動(dòng)、協(xié)議棧的初始化以及事件機制進(jìn)行了研究與分析。LM3S9B96+CC2520節點(diǎn)作為當前較新的ZigBee節點(diǎn)平臺，基于任務(wù)調度機制，采用功能模塊化設計。