無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的研究和設計

1 概 述
無(wú)線(xiàn)通信的方式有多樣，與藍牙、Wi-Fi、GSM移動(dòng)通信方式相比，ZigBee聯(lián)盟制定的 ZigBee方式具有功耗低、數據傳輸可靠、兼容性好、實(shí)現成本低以及組網(wǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)，非常適合低速率傳輸的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。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層及數據鏈路層之上，研究開(kāi)發(fā)適合無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的其他高層協(xié)議。
物理層的2個(gè)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(shù)，使用相同的物理層數據包格式。2．4 GHz波段為全球統一的無(wú)需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。它的物理層通過(guò)采用16相高階調制技術(shù)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(shí)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(lèi)型：全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡(jiǎn)功能設備RFD(Re-duced Function Device)。ZigBee網(wǎng)絡(luò )的星型拓撲結構通常由1個(gè)FFD和若干RFD組成。FFD充當網(wǎng)絡(luò )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(gè)終端設備需要傳輸數據到另一個(gè)終端設備，它會(huì )把數據發(fā)送給協(xié)調器，然后由協(xié)調器將數據轉發(fā)到目標接收器終端設備。通過(guò)FFD接力傳送，網(wǎng)絡(luò )又可以擴展成其他拓撲結構，如圖1所示。

隨著(zhù)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(gè)原始設備生產(chǎn)商(OEM)的ZigBee套件符合聯(lián)盟規定的標準。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(luò )協(xié)調器的主要功能是協(xié)調建立網(wǎng)絡(luò )，其他功能還包括：傳輸網(wǎng)絡(luò )信標、管理網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)及存儲網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息，并且提供關(guān)聯(lián)節點(diǎn)之間的路由信息；此外，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器要存儲一些基本信息，如節點(diǎn)數據設備、數據轉發(fā)表及設備關(guān)聯(lián)表等。
問(wèn)題是，目前ZigBee協(xié)議主要在低端8位或16位單片機上實(shí)現。對于網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)而言，其數據處理能力不強，且限于自身的硬件資源，很少能實(shí)現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(mǎn)足應用的需求。而基于PC機的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)，不但體積大、價(jià)格高而且功耗大，對于傳輸率不大的傳感器網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)十分浪費資源，所以開(kāi)發(fā)基于A(yíng)RM系列嵌入式芯片為核心微處理器的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器是很有必要的。實(shí)驗基于星型結構，在實(shí)現RFD功能的基礎上，開(kāi)發(fā)基于A(yíng)RM9嵌入式的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，提供3．5英寸TFTLCD觸摸屏作為人機交互，顯示其他各節點(diǎn)的工作狀況、測試參數情況，為日后高級應用提供平臺。