基于EM250的ZigBee無線傳感器網(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無線網(wǎng)絡(luò)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(luò)解決方案，對(duì)系統(tǒng)的硬軟件組成及設(shè)計(jì)進(jìn)行了仔細(xì)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)物理層和媒體訪問控制層（MAC層）協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而制定的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)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(kuò)頻技術(shù)，提供27個(gè)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(píng)估、收發(fā)數(shù)據(jù)等

圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee的MAC層負(fù)責(zé)設(shè)備間無線數(shù)據(jù)鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束，確認(rèn)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(gè)數(shù)據(jù)包均由頭字節(jié)和16位CRC校驗(yàn)值組成

網(wǎng)絡(luò)層為ZigBee協(xié)議棧的核心部分，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)接入或離開網(wǎng)絡(luò)、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持星形、樹形、網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)具體的ZigBee應(yīng)用來選擇節(jié)點(diǎn)按功能分為全功能設(shè)備(FFD)、簡化功能設(shè)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(shè)備

ZigBee的應(yīng)用層包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZDO)和制造商制訂的應(yīng)用對(duì)象應(yīng)用支持子層負(fù)責(zé)維護(hù)綁定表，根據(jù)服務(wù)和需求在兩個(gè)綁定實(shí)體間傳遞信息ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的角色，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)，決定提供何種應(yīng)用服務(wù)，還負(fù)責(zé)初始化或響應(yīng)綁定請求及建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間安全關(guān)系

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用多點(diǎn)接入，有使能信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或不使能信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)兩種類型使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器在預(yù)定義的時(shí)隙周期性發(fā)送信標(biāo)幀用于節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)、加入網(wǎng)絡(luò)、同步傳送數(shù)據(jù)在不使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器也周期性發(fā)送信號(hào)，但這只用于終端設(shè)備并檢測協(xié)調(diào)器的存在，設(shè)備要隨時(shí)準(zhǔn)備好進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，通過發(fā)送數(shù)據(jù)請求和應(yīng)答進(jìn)行通信

ZigBee支持兩種類型的數(shù)據(jù)格式：KVP關(guān)鍵值對(duì)及MSG消息幀一般KVP幀采用命令響應(yīng)機(jī)制，用于傳輸一個(gè)簡單的屬性變量值；而MSG幀還沒有一個(gè)具體格式上的規(guī)定，通常用于多信息，復(fù)雜信息的傳輸，其支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)大小受支持的幀大小限制

圖2 參考設(shè)計(jì)功能圖

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(gè)方面的安全服務(wù)，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(gè)符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz射頻收發(fā)器和一個(gè)功能強(qiáng)大的高速率16位微處理器，支持網(wǎng)絡(luò)級(jí)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(shè)備或簡化功能設(shè)備的要求

圖3 協(xié)調(diào)器軟件功能模塊設(shè)計(jì)

EM250可以進(jìn)入三種不同的狀態(tài)：工作狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)和深度睡眠狀態(tài)在工作狀態(tài)時(shí)可執(zhí)行程序代碼，典型情況電流為8.5mA在待機(jī)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(shè)備，但對(duì)于簡化功能設(shè)備節(jié)省耗電而言，則必不可少