基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設計

0 引言

為滿足小型、低成本設備的無線聯網要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術――ZigBee技術。本文針對使用PIC18系列單片機及CC2420為RF收發(fā)器，從ZigBee節(jié)點的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面，介紹了ZigBee無線通信網絡的組成。

1 ZigBee技術簡介

2002年8月ZigBee聯盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成。IEEE802.15.4的ZigBee標準于2003年5月獲得批準。

2 ZigBee節(jié)點的硬件構成

2.1 典型的ZigBee節(jié)點硬件

ZigBee協(xié)議棧對系統(tǒng)微處理器的要求有：8位微處理器；完全的協(xié)議棧：ROM32K；簡單功能節(jié)點協(xié)議棧：ROM約6K；協(xié)調器還需要足夠的RAM，用于保存節(jié)點器件數據庫、傳輸路由表等。

可供選用的單片機種類較多，本設計所選用的是PIC18系列的單片機，因此要創(chuàng)建典型的ZigBee節(jié)點至少必須具備以下組件：一片帶SPI接口的PIC18F單片機；一個帶有所需外部元件的RF收發(fā)器；一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或單極天線。ZigBee節(jié)點的構成如圖1所示，控制器通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連?？刂破鞒洚擲PI主器件而RF收發(fā)器充當從器件。控制器實現了IEEE 802.15.4 MAC層和ZigBee協(xié)議層。

在RF收發(fā)器上，本設計選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，它實現ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，具備65,000個節(jié)點通道并可隨時擴充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時間(30ms)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測等特性。

2.2 ZigBee節(jié)點硬件電路實現

CC2420只需要極少的外圍元器件, 其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入/ 輸出匹配電路和微控制器接口電路三個部分。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供,也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和兩個負載電容, 電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數。射頻輸入/ 輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗。CC2420可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn) 設置芯片的工作模式, 并實現讀/ 寫緩存數據,讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設置發(fā)射/ 接收緩存器。在數據傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外, 通過CCA管腳狀態(tài)的設置可以控制清除通道估計, 通過SFD管腳狀態(tài)的設置可以控制時鐘/ 定時信息的輸入。

如圖2所示，為CC2420的外圍電路及與PIC18系列單片機的連接方式。此外，CC2420需要3.3V的電源電壓，可以選用PIC18系列單片機中的低壓型號，使控制器和RF收發(fā)器均使用3.3V電源電壓。

3 ZigBee通信協(xié)議

3.1 IEEE 802.15.4MAC數據包

在本文的第一部分，已經對IEEE 802.15.4規(guī)范做了介紹，以下補充MAC層數據包的部分內容。IEEE 802.15.4 MAC數據包的最大長度為127字節(jié)，每個數據包都由頭字節(jié)和16位CRC 值組成,16位CRC值驗證幀的完整性。此外，IEEE 802.15.4還可以選擇使用應答數據傳輸機制，使用這種方法，所有特殊ACK標志位置1的幀均會被它們的接收器應答。如果發(fā)送幀的時候置位了ACK標志位而且在一定的超時期限內沒有收到應答，發(fā)送器將重復進行固定次數的發(fā)送，如仍無應答就宣布發(fā)生錯誤。

3.2 網絡配置與網絡關聯

ZigBee無線網絡可采用多種類型的網絡配置。本設計使用星型網絡實現通信。星型網絡配置由一個協(xié)調器節(jié)點（主設備）和一個或多個終端設備（從設備）組成。在星型網絡中，所有的終端設備都只與協(xié)調器通信。

根據系統(tǒng)需求，協(xié)調器會在非易失性存儲器中存儲所有網絡關聯，稱為鄰接表。為了連接到網絡，終端設備可能執(zhí)行孤立通知過程來查找先前與之關聯的網絡或者執(zhí)行關聯過程來加入一個新網絡。在執(zhí)行孤立通知過程的情況下，協(xié)調器將通過查找其鄰接表來識別先前與之關聯的終端設備。

3.3 端點、接口及端點綁定

典型的ZigBee節(jié)點可支持多種特性和功能，為了便于在I/O節(jié)點和兩個控制器節(jié)點之間進行數據傳輸，所有節(jié)點中的應用程序必須保存多個數據鏈路。為了減少成本，ZigBee節(jié)點僅使用一個無線信道來和多個端點/ 接口來創(chuàng)建多條虛擬鏈路或信道,每個端點總共有8個接口。

在星型網絡中的終端設備總是只與協(xié)調器通信，協(xié)調器負責將端點發(fā)送的數據包從一個節(jié)點轉發(fā)到接收終端設備的相應端點。所以，當建立一個新的網絡時，必須告知協(xié)調器如何創(chuàng)建源端點和目標端點之間的鏈路，ZigBee協(xié)議使用了一個稱為端點綁定的特殊過程來實現鏈路的連接。

3.4 數據傳輸機制

傳輸數據到終端設備和從終端設備傳輸數據的確切機制隨網絡類型的不同而有所不同。在無信標的星型網絡中，當終端設備想要發(fā)送數據幀時，它只需等待信道變?yōu)榭臻e。在檢測到空閑信道條件時，它將幀發(fā)送到協(xié)調器。如果協(xié)調器想要將此數據發(fā)送到終端設備，它會將數據幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標終端設備明確地來查詢該數據為止。

4 協(xié)議棧構架

在本設計中，我們的協(xié)議棧是使用C語言編寫的，協(xié)議棧使用內部閃存程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網絡表和綁定表，因此，必須使用可自編程的閃存存儲器單片機。

協(xié)議棧管理功能，用戶應用程序使用此模塊來管理協(xié)議棧功能。

APS層主要提供ZigBee端點接口。應用程序將使用該層打開或關閉一個或多個端點并且獲取或發(fā)送數據。它還為鍵值對（KVP）和報文（MSG）數據傳輸提供了原語。當首次對協(xié)調器編程時綁定表為空，主應用程序必須調用正確的綁定API來創(chuàng)建新的綁定項。APS還有一個間接發(fā)送緩沖器RAM，用來存儲間接幀，直到目標接收者請求這些幀為止。MAC_MAX_ DATA _REQ_PERIOD編譯時間選項定義了確切的請求時間。節(jié)點請求數據時間越長，數據包需要保存在間接發(fā)送緩沖器里的時間也越長，數據請求時間越長需要的間接緩沖空間越大。

網絡層（NWK）負責建立和維護網絡連接，它獨立處理傳入數據請求、關聯、解除關聯和孤立通知請求。ZigBee設備對象（ZDO）負責接收和處理遠程設備的不同請求。介質訪問控制（MAC）層實現了IEEE 802.15.4規(guī)范所要求的功能，并負責同物理（PHY）層進行交互。

5 結束語

ZigBee是為低速率控制網絡設計的標準無線網絡協(xié)議，ZigBee協(xié)議的一些應用包括建筑自動化網絡、建筑安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網絡、遠程抄表以及PC外設。本文針對使用PIC18系列單片機及CC2420為RF收發(fā)器，從ZigBee節(jié)點的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面，介紹了ZigBee無線通信網絡的組成。

本文作者創(chuàng)新點:將最新的ZigBee技術使用PIC18系列單片機及CC2420為RF收發(fā)器實現了無線通信，并從ZigBee節(jié)點的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面進行了詳細闡述。

參考文獻

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