LM3S9B96與CC2520平臺上的ZigBee組網(wǎng)技術及應用

摘要：ZigBee技術是基于IEEE802．15．4的一種新興的短距離、低功耗、低成本和低速率的無線傳感器網(wǎng)絡技術。網(wǎng)絡節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡的物理載體，如何實現(xiàn)眾多網(wǎng)絡節(jié)點的智能化接入成為關鍵問題之一。本文提出了LM3S9B96+CC2520平臺上無線通信節(jié)點的智能化設計，分析了ZigBee無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)通信技術，并實現(xiàn)了智能泊車引導系統(tǒng)的應用。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；LM3S9B96；CC2520；CC2530

引言
基于IEEE802．15．4標準的ZigBee短距離低速無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)協(xié)議將低速率、低功耗、低成本作為主要研究目標，是目前無線傳感器網(wǎng)絡的重要支撐協(xié)議之一。針對ZigBee無線短距離低功耗解決方案，雖然目前已經(jīng)有好幾家大半導體公司設計、生產(chǎn)了相應的無線芯片并提供了對應的支持協(xié)議棧，但是目前的ZigBee網(wǎng)絡多是采用性能較低、存儲容量較小的8／16位微控制器來實現(xiàn)的。然而，ZigBee無線網(wǎng)絡的中心控制節(jié)點往往要分析、處理網(wǎng)絡中通信的大量數(shù)據(jù)，在一些對實時及高效率有嚴格要求的應用場合，有必要采用高性能的微處理器作為節(jié)點的數(shù)據(jù)處理單元。TI公司Stellaris MCU內(nèi)部擁有一個32位ARM Cortex-M3處理器核，ARM Cortex-M3核具有高速的處理速度且支持芯片廠商自己擴展豐富的外設，比如網(wǎng)口、USB口、LCD等。同時，Stellaris系列微控制器包含了100多種可以向全球供貨的32位ARM核的MCU。本文選用基于32位ARM Cottex-M3核的微控制器LM3S9B96作為無線芯片CC2520的微控制器單元構成協(xié)調(diào)器節(jié)點，另將8051核的SoC CC2530芯片模塊作為終端采集節(jié)點。通過配置節(jié)點設備環(huán)境，實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議下的終端數(shù)據(jù)采集及星型、樹型下的無線組網(wǎng)通信功能，驗證了不同規(guī)格的ZigBee無線模塊在同一協(xié)議棧環(huán)境下能夠正常組網(wǎng)通信，廠商提供的不同ZigBee設備可進行互操作。

1 ZigBee應用體系結(jié)構
本平臺采用ZigBee標準技術，其具體應用體系結(jié)構如圖1所示。其中，硬件實體層主要由處理器模塊、無線通信模塊構成，區(qū)別于協(xié)調(diào)器或路由器的全功能設備，作為精簡功能設備的終端節(jié)點一般還需再配上傳感器硬件模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；OSAL軟件功能模塊作為TIZ-Stack協(xié)議棧中的操作系統(tǒng)抽象層，統(tǒng)一管理協(xié)議棧的運行以及各種任務事件的響應；ZigBee協(xié)議棧運行于OSAL抽象系統(tǒng)之上，該協(xié)議棧是由層來量化表示其整個協(xié)議標準的，每一層負責完成所規(guī)定的任務，并且向上層提供相應的數(shù)據(jù)接口及服務；ZigBee技術體系結(jié)構主要由物理(PHY)層、媒體訪問控制(MAC)層、ZigBee網(wǎng)絡(NWK)層以及應用(APL)層構成，其中物理層與媒體訪問控制層協(xié)議為IEEE 802．15．4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層由ZigBee技術聯(lián)盟制定，而應用層的應用則根據(jù)用戶自己的應用需求進行開發(fā)利用。

在應用系統(tǒng)設計過程中，考慮到LM3S9B96的優(yōu)良特性以及作為協(xié)調(diào)器對硬件節(jié)點的高性能要求，用該開發(fā)板來控制CC2520無線傳輸模塊，并把LM3S9B96+CC2520作為協(xié)調(diào)器節(jié)點，這也是TI公司提供的新的32位無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點方案。同時，將集成了一個8051核及射頻電路的CC2530無線模塊作為路由和終端節(jié)點，終端節(jié)點的傳感器則采用E18-D80NKDC-5V反射式接近開關傳感器，以此構成ZigBee無線組網(wǎng)的硬件平臺。在ZigBee協(xié)議棧選擇方面，CC2520及CC2530使用的是TI公司設計的符合ZigBee2007／PRO標準系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack是最新功能的協(xié)議棧產(chǎn)品，在互操作性、節(jié)點密度管理、數(shù)據(jù)負荷管理、頻率捷變等方面有重大進步，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡和低功耗等特點。在應用程序模塊中，通過E18-D80NKDC-5V反射式接近開關傳感器進行障礙物檢測，利用CC2530終端節(jié)點與LM3S9B96協(xié)調(diào)器進行ZigBee星型網(wǎng)通信，構建了智能泊車引導系統(tǒng)。

2 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構
2．1 硬件模塊介紹
TI公司的CC2520、CC2530芯片是符合ZigBee技術的具有高集成度的無線射頻收發(fā)器件，CC2520和CC2530芯片的PHY與MAC層協(xié)議符合IEEE 802．15．4標準，模塊可工作在2 394～2 507 MHz的2．4 GHz ISM免費頻段。該頻段可提供16個物理通信信道，工作速率可達到250 kbps，碼片速率為2 Mchip／s。CC2520和CC2530無線芯片均是有著低功耗的特點，在接收數(shù)據(jù)幀時電流消耗僅為18．5 mA，其輸出功率編程可控，最大輸出功率可達5 dBm，此時電流消耗33．6 mA，支持IEEE802．15．4標準與ZigBee協(xié)議。芯片的RF電路部分還提供豐富的硬件功能支持，如封包處理、數(shù)據(jù)緩沖、爆發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗證、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和封包時間信息，可大幅減輕主機控制器的作業(yè)負荷。
TI公司LM3S9B96微控制器內(nèi)含DMA、數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)和模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等功能模塊且提供以太網(wǎng)、CAN及USB口通信，又兼具高性能及超低功耗的特點，能為ZigBee應用提供良好的硬件支持。無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的具體硬件結(jié)構如圖2所示。

2．2 無線通信節(jié)點平臺分析
通過了解IEEE802．15．4標準、ZigBee規(guī)范，并在此理論基礎上研究TI公司的標準ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，對其底層驅(qū)動、協(xié)議棧的初始化以及事件機制進行了研究與分析。LM3S9B96+CC2520節(jié)點作為當前較新的ZigBee節(jié)點平臺，基于任務調(diào)度機制，采用功能模塊化設計。