基于EM250的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )解決方案

本文介紹了ZigBee的協(xié)議框架、各層的功能及ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組成，闡述了基于Ember公司EM250片上系統的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )解決方案，對系統的硬軟件組成及設計進(jìn)行了仔細的說(shuō)明。

ZigBee協(xié)議框架

ZigBee協(xié)議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設備互相間及與外界網(wǎng)絡(luò )通信的組網(wǎng)解決方案，它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術(shù)標準物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC層）協(xié)議對網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議和API進(jìn)行標準化而制定的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準

ZigBee協(xié)議棧結構如圖1所示

ZigBee協(xié)議物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層采用了IEEE 802.15.4 2003協(xié)議規范物理層無(wú)線(xiàn)頻段為全世界通用的 2.4GHz、歐洲適用的868MHz、美國適用的915MHz，使用直接序列擴頻技術(shù)，提供27個(gè)信道，20Kb/s、40Kb/s、250Kb/s三種數據速率用于數據收發(fā)物理層功能包括了激活和休眠射頻收發(fā)器、信道能量檢測、信道接收數據包的鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、收發(fā)數據等

圖1 ZigBee協(xié)議棧結構

ZigBee的MAC層負責設備間無(wú)線(xiàn)數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，采用載波偵聽(tīng)多址/沖突避免接入方式，數據包的最大長(cháng)度為127字節，每個(gè)數據包均由頭字節和16位CRC校驗值組成

網(wǎng)絡(luò )層為ZigBee協(xié)議棧的核心部分，實(shí)現節點(diǎn)接入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )、路由查找及傳送數據等功能，支持星形、樹(shù)形、網(wǎng)絡(luò )三種拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構根據具體的ZigBee應用來(lái)選擇節點(diǎn)按功能分為全功能設備(FFD)、簡(jiǎn)化功能設備(RFD)、協(xié)調器(ZCRD)和路由器，協(xié)調器與路由器通常也是全功能設備

ZigBee的應用層包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和制造商制訂的應用對象應用支持子層負責維護綁定表，根據服務(wù)和需求在兩個(gè)綁定實(shí)體間傳遞信息ZDO負責定義設備節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中的角色，并負責網(wǎng)絡(luò )設備的發(fā)現，決定提供何種應用服務(wù)，還負責初始化或響應綁定請求及建立網(wǎng)絡(luò )設備間安全關(guān)系

ZigBee網(wǎng)絡(luò )采用多點(diǎn)接入，有使能信標網(wǎng)絡(luò )或不使能信標網(wǎng)絡(luò )兩種類(lèi)型使能信標的網(wǎng)絡(luò )中，協(xié)調器在預定義的時(shí)隙周期性發(fā)送信標幀用于節點(diǎn)關(guān)聯(lián)、加入網(wǎng)絡(luò )、同步傳送數據在不使能信標的網(wǎng)絡(luò )中，協(xié)調器也周期性發(fā)送信號，但這只用于終端設備并檢測協(xié)調器的存在，設備要隨時(shí)準備好進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通信，通過(guò)發(fā)送數據請求和應答進(jìn)行通信

ZigBee支持兩種類(lèi)型的數據格式：KVP關(guān)鍵值對及MSG消息幀一般KVP幀采用命令響應機制，用于傳輸一個(gè)簡(jiǎn)單的屬性變量值；而MSG幀還沒(méi)有一個(gè)具體格式上的規定，通常用于多信息，復雜信息的傳輸，其支持二進(jìn)制數據傳輸，數據大小受支持的幀大小限制

圖2 參考設計功能圖

在安全方面，ZigBee采用IEEE 802.15.4媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層的安全模型，其規范了四個(gè)方面的安全服務(wù)，即訪(fǎng)問(wèn)控制、數據加密、幀完整性檢查及采用順序更新值防止幀重放

ZigBee單芯片方案――EM250

EM250是Ember公司推出的ZigBee片上系統，它集成了一個(gè)符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz射頻收發(fā)器和一個(gè)功能強大的高速率16位微處理器，支持網(wǎng)絡(luò )級的調試，系統的軟件開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便微處理器主頻為12MHz，滿(mǎn)足作為協(xié)調器、全功能設備或簡(jiǎn)化功能設備的要求

圖3 協(xié)調器軟件功能模塊設計

EM250可以進(jìn)入三種不同的狀態(tài)：工作狀態(tài)、待機狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)在工作狀態(tài)時(shí)可執行程序代碼，典型情況電流為8.5mA在待機狀態(tài)，處理器不再工作，但允許中斷喚醒，外圍器件及射頻收發(fā)器正常工作在深度睡眠狀態(tài)，處理器和射頻收發(fā)器都不再工作，直至有外部中斷或定時(shí)中斷喚醒，典型情況電流僅為1.5μA深度睡眠狀態(tài)不適用于全功能設備，但對于簡(jiǎn)化功能設備節省耗電而言，則必不可少