一種ZigBee網(wǎng)絡(luò )的設計與實(shí)現

IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò )協(xié)議?；陂_(kāi)放系統互連模型（OSI），每一層都實(shí)現一部分通信功能，并向高層提供服務(wù)。IEEE 802.15.4標準只定義了物理（PHY）層和數據鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪(fǎng)問(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。
2.2 ZigBee技術(shù)
ZigBee是一種供廉價(jià)的固定、便攜或移動(dòng)設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，這個(gè)名字來(lái)源于蜂群使用的賴(lài)以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過(guò)跳ZigZag 形狀的舞蹈來(lái)分享新發(fā)現的食物源的位置、距離和方向等信息。該技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，主要適合于自動(dòng)控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入在各種設備中，同時(shí)支持地理定位功能，十分適合用作于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的通信協(xié)議[5]。
完整的ZigBee 協(xié)議套件由高層應用規范、應用會(huì )聚層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò )層以上協(xié)議由ZigBee 聯(lián)盟制定，IEEE負責制定物理（PHY）層和媒體控制（MAC）層的協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟成立于2 0 0 2 年8 月，由英國Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉（現Freescale）公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無(wú)線(xiàn)設備公司和開(kāi)發(fā)商的加入。
3 ZigBee 網(wǎng)絡(luò )總體設計方案
本方案設計一個(gè)ZigBee星型網(wǎng)絡(luò )，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者和若干個(gè)網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)構成。網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者負責網(wǎng)絡(luò )的管理工作，而終端節點(diǎn)一方面采集模擬數據，同時(shí)把這些模擬數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給協(xié)調者。
圖2大致描述了本方案的實(shí)現效果：在PAN協(xié)調者的無(wú)線(xiàn)覆蓋范圍之內，布置若干（小于255）個(gè)網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )的管理和相互通信。

由于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的終端設備節點(diǎn)由電池供電，因此低功耗是一個(gè)必須的要求。Freescale公司是ZigBee聯(lián)盟的重要成員和ZigBee技術(shù)的市場(chǎng)推廣者，為ZigBee提供“一站式”的解決方案，包括完全符合IEEE802.15.4規范的射頻芯片MC13192/3，以及針對該市場(chǎng)推出的超低功耗控制器系列：基于 S08核的超低功耗8位單片機MC9S08GX系列和32位的ColdFire521X系列。本文采用MC13192作為RF射頻模塊，網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者的主控MCU分別使用MC9S08GT60和CF5213。
MC13192是一種短距離、低功耗，工作在2.4GHz ISM（Industrial、Scientific、Medical）頻段的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器。它含有完全符合IEEE802.15.4標準的物理層模塊，可用于P2P、star和mesh網(wǎng)絡(luò )。配上一款合適的MCU后，可提供一種性?xún)r(jià)比極高的短距離數據鏈路層和網(wǎng)絡(luò )層的解決方案。MC13192與MCU的接口簡(jiǎn)單，只需四線(xiàn)的SPI：一個(gè)IRQ中斷請求線(xiàn)和三個(gè)控制線(xiàn)。MCU對MC13192的配置和控制命令通過(guò)SPI進(jìn)行。
4 硬件設計和實(shí)現
4.1 終端節點(diǎn)模塊硬件設計
網(wǎng)絡(luò )終端節點(diǎn)主要由下列部件組成：低功耗微控制器 MC9S08GT60，射頻通信模塊，由電源電路、復位電路及晶振電路組成的支撐電路，以及兩個(gè)串行通信接口。終端節點(diǎn)可通過(guò)串行通信接口與PC通訊，下載寫(xiě)入程序，配置數據等。負責無(wú)線(xiàn)通信的射頻通信模塊采用的射頻芯片是MC13192。
GT60的CPU采用HCS08 核，最高總線(xiàn)頻率可達40MHz；增加了16位指令，能靈活方便的訪(fǎng)問(wèn) 16位HX寄存器。同時(shí)支持1個(gè)WAIT和3 個(gè)STOP模式，對低功耗模式提供更全面的支持。GT60的存儲器具有60K的FLASH和4K的片上RAM，足夠容納完整的Zigbee協(xié)議棧。另外它還具有背景調試模塊：能利用單線(xiàn)對HCS08核的系列MCU進(jìn)行方便地寫(xiě)入和調試，加快開(kāi)發(fā)的速度且大大降低了調試的難度。
GT60和MC13192的接口電路有8根線(xiàn)：4線(xiàn)的SPI接口用于相互通信，一根中斷線(xiàn)和3根控制線(xiàn)。SPI通信時(shí)，MC13192只能作為從機，因此對于MCU而言，MOSI線(xiàn)是發(fā)送數據線(xiàn)而MISO線(xiàn)是接收數據線(xiàn)，SPI的同步時(shí)鐘由GT60在SPSCK管腳上給出，連接到MC13192的SPICLK上。MC13192上產(chǎn)生的所有中斷事件，通過(guò)芯片上的IRQ管腳連接到GT60的IRQ管腳上。ATTN管腳用于MCU將MC13192從低功耗模式下喚醒，而RXTXEN管腳則用來(lái)使能MC13192的收發(fā)器。在通常情況，為了降低功耗，射頻芯片的收發(fā)器都是關(guān)閉的，只有在發(fā)送和接收數據的時(shí)候才使能，這樣能大大降低射頻芯片的功耗。當射頻芯片工作異常的時(shí)候，MCU也可以通過(guò)RSTB管腳來(lái)硬件復位射頻芯片。這3根控制線(xiàn)都由GT60的GPIO口來(lái)進(jìn)行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必須用10KΩ的電阻上拉，防止毛刺來(lái)干擾MC13192的正常工作。圖3為線(xiàn)路連接的邏輯示意圖。