基于em250的zigbee無線傳感器網絡解決方案

基于EM250的ZIGBEE無線傳感器網絡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絡通信的組網解決方案，它是ZIGBEE聯(lián)盟基于IEEE802154技術標準物理層和媒體訪問控制層（MAC層）協(xié)議對網絡層協(xié)議和API進行標準化而制定的無線局域網組網、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IEEE8021542003協(xié)議規(guī)范。物理層無線頻段為全球通用的24GHZ、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)包的鏈路質量指示、空閑信道評估、收發(fā)數(shù)據(jù)等。圖1ZIGBEE協(xié)議棧結構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)點接入或離開網絡、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持星形、樹形、網絡三種拓撲結構，網絡拓撲結構根據(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(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)點在網絡中的角色，并負責網絡設備的發(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絡設備間安全關系。ZIGBEE網絡采用多點接入，有使能信標網絡或不使能信標網絡兩種類型。使能信標的網絡中，協(xié)調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)、加入網絡、同步傳送數(shù)據(jù)。在不使能信標的網絡中，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。圖2參考設計功能圖在安全方面，ZIGBEE采用IEEE802154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EM250EM250是EMBER公司推出的ZIGBEE片上系統(tǒng)，它集成了一個符合IEEE802154標準的24GHZ射頻收發(fā)器和一個功能強大的高速率16位微處理器，支持網絡級的調試，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)調器、全功能設備或簡化功能設備的要求。圖3協(xié)調器軟件功能模塊設計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85MA。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15A。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路模路轉換，兩路可用作數(shù)據(jù)轉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。圖4全功能設備的軟件功能模塊圖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，利用功率管理來合理設置工作模式。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換器RFBALUN50/200、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50非平衡天線等。圖5簡化功能設備的軟件功能模塊設計網絡節(jié)點采用FUTURE技術設備公司USB轉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)議的轉換，F(xiàn)T232R驅動可以支持在以PC端建立起虛擬通信端口（VPC），VPC驅動將完成USB信號與RS232信號的自動轉換。系統(tǒng)的電源可由333V直流源提供或由USB接口5V電源經FT232R轉換為33V電源提供，333V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)調器，其主要功能是初始化及維護整個ZIGBEE網絡，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絡的節(jié)點的表，加入到此ZIGBEE網絡的設備必須得到協(xié)調器的批準。協(xié)調器需要不間斷地監(jiān)聽其他節(jié)點加入或退出網絡請求及消息，在不發(fā)送消息時就需進入接收狀態(tài)，因此協(xié)調器不能進入“睡眠”模式。典型的協(xié)調器軟件功能模塊設計見圖3。ZIGBEE網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)調器等節(jié)點間數(shù)據(jù)的路由，是構建網絡結構ZIGBEE網絡所必須的，同協(xié)調器一樣，全功能設備也維護著網絡中節(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網絡的終端設備，它可以同協(xié)調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)一的集中網絡管理界面來完成。集中網絡管理界面安裝于與協(xié)調器相連接的PC，用于用戶同ZIGBEE網絡進行交互，主要功能有網絡拓撲顯示、節(jié)點狀態(tài)顯示、節(jié)