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

　　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

　　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

　　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

　　EM250具有4路模路轉換，兩路可用作數據轉換單元的模擬信號捕捉數字中斷可在睡眠或待機狀態(tài)接收一位的數字數據其通用同步和異步串行接收器及轉發(fā)器模塊可配置成為通用異步接收器/發(fā)送器或串行外圍接口SPI及I2C總線(xiàn)接口

　　EM250集成的射頻收發(fā)器支持四種功率工作模式，即爆發(fā)模式、高功率模式、正常模式和最小功率模式，可根據設備類(lèi)型及相鄰節點(diǎn)距離，利用功率管理來(lái)合適設置工作模式

　　硬件組成及設計

　　EM250集成了MCU、射頻收發(fā)器、內存以及通信端口，只需要極少的外圍元器件就可構成ZigBee網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件，以作為全功能設備、簡(jiǎn)化功能設備以及協(xié)調器參考設計功能模塊見(jiàn)圖2

　　外圍元器件包括：射頻不平衡到平衡轉換器(RF BALUN 50/200Ω)、諧波濾波、晶振與負載電容構成的振蕩器、電源去耦電容電路、電源板阻容濾波、上拉和下拉電阻、異步復位信號的阻容濾波、諧波濾波的輸出端外接的 50Ω非平衡天線(xiàn)等

　　網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)采用Future技術(shù)設備公司USB轉UART芯片FT232R作為與PC通信接口FT232R無(wú)須編程即可完成USB協(xié)議到RS232串口通信協(xié)議的轉換，FT232R驅動(dòng)可以支持在以PC端建立起虛擬通信端口（VPC），VPC驅動(dòng)將完成USB信號與RS232信號的自動(dòng)轉換系統的電源可由3～3.3V直流源提供或由USB接口5V電源經(jīng)FT232R轉換為3.3V電源提供，3～3.3V直流源可以是電池或AC/DC變換器兩種電源可由跳線(xiàn)來(lái)進(jìn)行選擇

　　系統的軟件設計

　　一個(gè)ZigBee只能有唯一的協(xié)調器，其主要功能是初始化及維護整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )，其維護著(zhù)所有直接連接的節點(diǎn)及未直接連接但允許加入網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)的表，加入到此ZigBee網(wǎng)絡(luò )的設備必須得到協(xié)調器的批準協(xié)調器需要不間斷地監聽(tīng)其他節點(diǎn)加入或退出網(wǎng)絡(luò )請求及消息，在不發(fā)送消息時(shí)就需進(jìn)入接收狀態(tài)，因此協(xié)調器不能進(jìn)入“睡眠”模式典型的協(xié)調器軟件功能模塊設計見(jiàn)圖3

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的路由器為全功能設備，它完成各個(gè)全功能設備、簡(jiǎn)化功能設備、協(xié)調器等節點(diǎn)間數據的路由，是構建網(wǎng)絡(luò )結構ZigBee網(wǎng)絡(luò )所必須的，同協(xié)調器一樣，全功能設備也維護著(zhù)網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的相關(guān)信息表，且由于它必須連續不斷的監聽(tīng)路由消息，所以也不可進(jìn)入“睡眠”模式全功能設備的軟件功能模塊設計見(jiàn)圖4

　　簡(jiǎn)化功能設備是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的終端設備，它可以同協(xié)調器和路由器進(jìn)行通信，但不能作為中間路由器，RFD可以進(jìn)入睡眠模式，以減少功率消耗，大大延長(cháng)電源使用時(shí)間

　　在簡(jiǎn)化功能設備進(jìn)入睡眠模式時(shí)，相鄰的協(xié)調器或路由器會(huì )緩存發(fā)送它的相關(guān)數據在退出睡眠模式時(shí)，它會(huì )向相鄰的協(xié)調器或路由器詢(xún)問(wèn)是否有發(fā)送到它的數據，相鄰的協(xié)調器或路由器則返回是否有其數據包的響應簡(jiǎn)化功能設備在處理完發(fā)送到它的數據后，可重新進(jìn)入睡眠模式簡(jiǎn)化功能設備的軟件功能模塊設計見(jiàn)圖5

　　各節點(diǎn)的管理可采用超級終端撥號到相連的單個(gè)節點(diǎn)或用統一的集中網(wǎng)絡(luò )管理界面來(lái)完成集中網(wǎng)絡(luò )管理界面安裝于與協(xié)調器相連接的PC，用于用戶(hù)同ZigBee網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行交互，主要功能有網(wǎng)絡(luò )拓撲顯示、節點(diǎn)狀態(tài)顯示、節點(diǎn)數據、告警信息、網(wǎng)絡(luò )日志等

　　小結

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有廣泛的應用前景，已越來(lái)越得到業(yè)界的重視并逐步開(kāi)始廣泛應用基于EM250實(shí)現的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有實(shí)現簡(jiǎn)易、方便，同時(shí)利用Ember的InSight集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，可快速地進(jìn)行系統的開(kāi)發(fā)、調試、編譯，具有很強的實(shí)際應用價(jià)值