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基于 EM250 的 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡解決方案

作者:王家兵
來源:豆豆網(wǎng)
日期:2009-12-17 15:18:11
摘要:本文介紹了ZigBee的協(xié)議框架、各層的功能及ZigBee無線網(wǎng)絡的組成,闡述了基于Ember公司EM250片上系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案,對系統(tǒng)的硬軟件組成及設計進行了仔細的說明。
  本文介紹了ZigBee的協(xié)議框架、各層的功能及ZigBee無線網(wǎng)絡的組成,闡述了基于Ember公司EM250片上系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡解決方案,對系統(tǒng)的硬軟件組成及設計進行了仔細的說明。

  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)絡通信的組網(wǎng)解決方案,它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術標準物理層和媒體訪問控制層(MAC層)協(xié)議對網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行標準化而制定的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術標準

  ZigBee協(xié)議棧結構如圖1所示

  ZigBee協(xié)議物理層和媒體訪問控制層采用了IEEE 802.15.4 2003協(xié)議規(guī)范物理層無線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,提供27個信道,20Kb/s、40Kb/s、250Kb/s三種數(shù)據(jù)速率用于數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量指示、空閑信道評估、收發(fā)數(shù)據(jù)等

  ZigBee的MAC層負責設備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護和結束,確認模式的數(shù)據(jù)傳送和接收,采用載波偵聽多址/沖突避免接入方式,數(shù)據(jù)包的最大長度為127字節(jié),每個數(shù)據(jù)包均由頭字節(jié)和16位CRC校驗值組成

  網(wǎng)絡層為ZigBee協(xié)議棧的核心部分,實現(xiàn)節(jié)點接入或離開網(wǎng)絡、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能,支持星形、樹形、網(wǎng)絡三種拓撲結構,網(wǎng)絡拓撲結構根據(jù)具體的ZigBee應用來選擇節(jié)點按功能分為全功能設備(FFD)、簡化功能設備(RFD)、協(xié)調(diào)器(ZCRD)和路由器,協(xié)調(diào)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(jù)服務和需求在兩個綁定實體間傳遞信息ZDO負責定義設備節(jié)點在網(wǎng)絡中的角色,并負責網(wǎng)絡設備的發(fā)現(xiàn),決定提供何種應用服務,還負責初始化或響應綁定請求及建立網(wǎng)絡設備間安全關系

  ZigBee網(wǎng)絡采用多點接入,有使能信標網(wǎng)絡或不使能信標網(wǎng)絡兩種類型使能信標的網(wǎng)絡中,協(xié)調(diào)器在預定義的時隙周期性發(fā)送信標幀用于節(jié)點關聯(lián)、加入網(wǎng)絡、同步傳送數(shù)據(jù)在不使能信標的網(wǎng)絡中,協(xié)調(diào)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(diào)器的存在,設備要隨時準備好進行點對點通信,通過發(fā)送數(shù)據(jù)請求和應答進行通信

  ZigBee支持兩種類型的數(shù)據(jù)格式:KVP關鍵值對及MSG消息幀一般KVP幀采用命令響應機制,用于傳輸一個簡單的屬性變量值;而MSG幀還沒有一個具體格式上的規(guī)定,通常用于多信息,復雜信息的傳輸,其支持二進制數(shù)據(jù)傳輸,數(shù)據(jù)大小受支持的幀大小限制

  在安全方面,ZigBee采用IEEE 802.15.4媒體訪問控制子層的安全模型,其規(guī)范了四個方面的安全服務,即訪問控制、數(shù)據(jù)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(tǒng),它集成了一個符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz射頻收發(fā)器和一個功能強大的高速率16位微處理器,支持網(wǎng)絡級的調(diào)試,系統(tǒng)的軟件開發(fā)簡便微處理器主頻為12MHz,滿足作為協(xié)調(diào)器、全功能設備或簡化功能設備的要求

  EM250可以進入三種不同的狀態(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)時可執(zhí)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,但對于簡化功能設備節(jié)省耗電而言,則必不可少

  EM250具有4路模路轉(zhuǎn)換,兩路可用作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單元的模擬信號捕捉數(shù)字中斷可在睡眠或待機狀態(tài)接收一位的數(shù)字數(shù)據(jù)其通用同步和異步串行接收器及轉(zhuǎn)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(jù)設備類型及相鄰節(jié)點距離,利用功率管理來合適設置工作模式 

  硬件組成及設計 

  EM250集成了MCU、射頻收發(fā)器、內(nèi)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)絡節(jié)點硬件,以作為全功能設備、簡化功能設備以及協(xié)調(diào)器參考設計功能模塊見圖2 

  外圍元器件包括:射頻不平衡到平衡轉(zhuǎn)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非平衡天線等

  網(wǎng)絡節(jié)點采用Future技術設備公司USB轉(zhuǎn)UART芯片F(xiàn)T232R作為與PC通信接口FT232R無須編程即可完成USB協(xié)議到RS232串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換,F(xiàn)T232R驅(qū)動可以支持在以PC端建立起虛擬通信端口(VPC),VPC驅(qū)動將完成USB信號與RS232信號的自動轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)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來進行選擇

  系統(tǒng)的軟件設計 

      一個ZigBee只能有唯一的協(xié)調(diào)器,其主要功能是初始化及維護整個ZigBee網(wǎng)絡,其維護著所有直接連接的節(jié)點及未直接連接但允許加入網(wǎng)絡的節(jié)點的表,加入到此ZigBee網(wǎng)絡的設備必須得到協(xié)調(diào)器的批準協(xié)調(diào)器需要不間斷地監(jiān)聽其他節(jié)點加入或退出網(wǎng)絡請求及消息,在不發(fā)送消息時就需進入接收狀態(tài),因此協(xié)調(diào)器不能進入“睡眠”模式典型的協(xié)調(diào)器軟件功能模塊設計見圖3

      ZigBee網(wǎng)絡中的路由器為全功能設備,它完成各個全功能設備、簡化功能設備、協(xié)調(diào)器等節(jié)點間數(shù)據(jù)的路由,是構建網(wǎng)絡結構ZigBee網(wǎng)絡所必須的,同協(xié)調(diào)器一樣,全功能設備也維護著網(wǎng)絡中節(jié)點的相關信息表,且由于它必須連續(xù)不斷的監(jiān)聽路由消息,所以也不可進入“睡眠”模式全功能設備的軟件功能模塊設計見圖4

      簡化功能設備是ZigBee網(wǎng)絡的終端設備,它可以同協(xié)調(diào)器和路由器進行通信,但不能作為中間路由器,RFD可以進入睡眠模式,以減少功率消耗,大大延長電源使用時間 

      在簡化功能設備進入睡眠模式時,相鄰的協(xié)調(diào)器或路由器會緩存發(fā)送它的相關數(shù)據(jù)在退出睡眠模式時,它會向相鄰的協(xié)調(diào)器或路由器詢問是否有發(fā)送到它的數(shù)據(jù),相鄰的協(xié)調(diào)器或路由器則返回是否有其數(shù)據(jù)包的響應簡化功能設備在處理完發(fā)送到它的數(shù)據(jù)后,可重新進入睡眠模式簡化功能設備的軟件功能模塊設計見圖5

      各節(jié)點的管理可采用超級終端撥號到相連的單個節(jié)點或用統(tǒng)一的集中網(wǎng)絡管理界面來完成集中網(wǎng)絡管理界面安裝于與協(xié)調(diào)器相連接的PC,用于用戶同ZigBee網(wǎng)絡進行交互,主要功能有網(wǎng)絡拓撲顯示、節(jié)點狀態(tài)顯示、節(jié)點數(shù)據(jù)、告警信息、網(wǎng)絡日志等

      小結 

      ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡具有廣泛的應用前景,已越來越得到業(yè)界的重視并逐步開始廣泛應用基于EM250實現(xiàn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡具有實現(xiàn)簡易、方便,同時利用Ember的InSight集成開發(fā)環(huán)境,可快速地進行系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、編譯,具有很強的實際應用價值