第12章-無(wú)線通信接口

2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)1第12章無(wú)線通信接口本章主要內(nèi)容

SPI串行設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線收發(fā)模塊無(wú)線通信接口的設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介ZigBee無(wú)線通信開發(fā)解決方案2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)212.1SPI串行設(shè)備接口與無(wú)線收發(fā)模塊無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合及無(wú)線傳輸?shù)奶匦裕寻l(fā)展出了多種不同的網(wǎng)絡(luò)類型，如WiFi、WiMax、NFC、ZigBee、3G/4G、SmartAir等，這些類型的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)都由相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所定義。不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的解決方案因?qū)崿F(xiàn)方式不同，其接口形式也不同。本節(jié)從接口技術(shù)的角度介紹一種簡(jiǎn)單的無(wú)線通信接口方案，即通過(guò)微控制器的SPI接口擴(kuò)展無(wú)線收發(fā)器，完成無(wú)線傳輸?shù)娜蝿?wù)，以此來(lái)闡述接口技術(shù)在無(wú)線通信中應(yīng)用的思路和方式。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)312.1.1SPI串行設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口SPI（SerialPeripheralInterface）是一種同步串行外設(shè)接口，用于微控制器與各種外圍設(shè)備進(jìn)行串行通信，交換信息。是一種高效、數(shù)據(jù)位數(shù)可編程設(shè)置的輸入/輸出串行接口。SPI接口通信線路少，只用4根連接線即可完成所有的數(shù)據(jù)通信和控制操作，不占用MCU的數(shù)據(jù)總線和地址總線，極大地節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源。SPI標(biāo)準(zhǔn)可與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍元器件直接接口，能夠方便和經(jīng)濟(jì)地?cái)U(kuò)展系統(tǒng)存儲(chǔ)容量和外設(shè)。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)412.1.2SPI工作方式與原理

1.工作方式

SPI是以主從方式工作的，這種模式通常有一個(gè)主元器件和一個(gè)或多個(gè)從元器件。SPI的通信是由主元器件發(fā)起的，從元器件響應(yīng)，并通過(guò)SPI主、從元器件接口完成數(shù)據(jù)的交換。SPI支持全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來(lái)說(shuō)比I2C總線要快，速度可達(dá)到幾Mb/s。單個(gè)從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)，如圖12.1所示。圖12.1單個(gè)從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)5圖12.2多個(gè)從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)多個(gè)從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)，如圖12.2所示。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)6

2.SPI信號(hào)線的定義

SPI由4種信號(hào)構(gòu)成，信號(hào)線的定義如下。（1）MOSI：主元器件數(shù)據(jù)輸出，從元器件數(shù)據(jù)輸入。（2）MISO：主元器件數(shù)據(jù)輸入，從元器件數(shù)據(jù)輸出。（3）SCLK：串行移位時(shí)鐘，由主元器件產(chǎn)生。（4）/SS：從元器件選中信號(hào)(片選信號(hào))，由主元器件控制。/SS決定了與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如果只有一個(gè)從設(shè)備，則不需要/SS信號(hào)，稱為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。在此情況下，SPI接口也不需要進(jìn)行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡(jiǎn)單高效。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)73.SPI接口數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，并由主設(shè)備通過(guò)移位時(shí)鐘來(lái)發(fā)起通信。在主器件的移位脈沖作用下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，以主設(shè)備為參照，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升（或下降）沿由MOSI輸出，在緊接著的下降（或上升）沿由MOSI讀入。上升沿模式的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序，如圖12.3所示

。圖12.3SPI數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)8SPI接口模塊內(nèi)部硬件是兩個(gè)8位移位寄存器組成。在片選信號(hào)/SS有效和移位脈沖作用下，數(shù)據(jù)按位傳輸。在主元器件一側(cè)，對(duì)于上升沿模式的數(shù)據(jù)傳輸，在時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)移位輸出，在下降沿?cái)?shù)據(jù)改變，同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。SPI接口模塊內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖，如圖12.4所示。圖12.4SPI內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)912.1.3無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的最簡(jiǎn)單的方法是在現(xiàn)有微機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展無(wú)線通信模塊，形成具備無(wú)線傳輸能力的系統(tǒng)。目前許多專業(yè)的公司推出了高性能無(wú)線收發(fā)芯片來(lái)簡(jiǎn)化無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，只需很少的外圍元件就可以與一個(gè)通用的微控制器構(gòu)成一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)。微控制器可以通過(guò)與無(wú)線收發(fā)芯片的接口，控制其工作狀態(tài)、工作頻率和發(fā)射功率等參數(shù)，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線收發(fā)芯片與微控制器間的接口方式有很多種，SPI和UART等串行接口簡(jiǎn)單高效，是一種較好的接口方式。本書案例將以Nordic公司推出的nRF903高性能單片無(wú)線收發(fā)芯片為例，介紹其結(jié)構(gòu)及原理，并定義一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)101、nRF903結(jié)構(gòu)與工作原理nRF903是一款高性能的單片無(wú)線收發(fā)芯片，只需很少的外圍元器件就可以與一個(gè)通用的微控制器構(gòu)成一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)，可工作在工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）頻段（433MHz/868MHz/915MHz），通過(guò)配置寄存器可實(shí)現(xiàn)不同工作頻段的選擇。nRF903的配置是通過(guò)其提供的SPI接口實(shí)現(xiàn)的，nRF903與微控制器的數(shù)據(jù)交換則是通過(guò)UART串行通信方式實(shí)現(xiàn)。nRF903僅支持半雙工通信方式，即它的發(fā)射電路和接收電路是分時(shí)工作的，不能同時(shí)發(fā)射和接收。nRF903的外圍電路，主要包括振蕩電路、濾波電路和天線電路。nRF903邏輯結(jié)構(gòu)和外圍元件連接，如圖12.5所示。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)11圖12.5nRF903邏輯結(jié)構(gòu)和外圍元件連接nRF903芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括發(fā)射電路、接收電路、接口電路以及外圍電路。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)12(1)發(fā)射電路發(fā)射電路由GFSK調(diào)制器、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器、功率放大器和天線電路組成。數(shù)字信號(hào)從DATA腳輸入，經(jīng)過(guò)GFSK調(diào)制器、VCO和頻率合成器后得到帶有發(fā)射數(shù)據(jù)信息的高頻信號(hào)，高頻信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大器（PA）放大后從天線發(fā)射出去。(2)接收電路接收電路由天線電路、低噪聲放大器（LNA）、多相波濾波器、濾波器（IF）和GFSK解調(diào)器組成。在接收時(shí)，無(wú)線電信號(hào)由天線接收，經(jīng)過(guò)低噪聲放大器（LNA）放大后，進(jìn)入兩級(jí)混頻和濾波電路，分別獲得10.7126MHz和345.6kHz的中頻信號(hào)，再經(jīng)過(guò)GFSK解調(diào)器解調(diào)后得到數(shù)字信號(hào)，最后數(shù)字信號(hào)從DATA腳輸出。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)13(3)接口電路nRF903的接口電路主要包括收發(fā)控制和配置寄存器和SPI接口模塊，以實(shí)現(xiàn)nRF903的工作模式控制與工作參數(shù)設(shè)置，工作頻率和發(fā)射功率等工作參數(shù)可以通過(guò)收發(fā)控制和配置寄存器進(jìn)行控制。從圖12.5可看到，nRF903提供了SPI接口（引腳CFG_DATA、CFG_CLK和CS）來(lái)訪問(wèn)收發(fā)控制和配置寄存器。nRF903也提供了UART串行接口（引腳DATA、C_SENSE），來(lái)收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)處于不同的工作模式時(shí)，DATA的方向不同。當(dāng)接收時(shí)，DATA為輸出，當(dāng)發(fā)送時(shí)，DATA為輸入。C_SENSE為接收器的狀態(tài)，當(dāng)該引腳被置1時(shí)，表示接收到數(shù)據(jù)，此時(shí)從DATA讀取的數(shù)據(jù)才有意義。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)142、nRF903用戶接口信號(hào)nRF903提供給用戶的接口信號(hào)如圖12.6所示。用戶接口信號(hào)按功能可分為兩組，分別用于操作模式控制和參數(shù)配置。操作模式控制接口信號(hào)包括引腳DATA、TXEN、STBY、PWR_DWN。SPI配置接口信號(hào)包括引腳CFG_DATA、CFG_CLK、CS。圖12.6nRF903的用戶接口信號(hào)2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)15nRF903另外提供了兩個(gè)可用的信號(hào)，分別是C_SENSE和CLK_OUT。當(dāng)C_SENSE為0時(shí)，表示在接收通道上未檢測(cè)到載波；為1時(shí)，表示檢測(cè)到載波，即可接收數(shù)據(jù)。CLK_OUT是nRF903參考輸入時(shí)鐘11.0592的同步輸出，該時(shí)鐘可為輸入時(shí)鐘的1、1/2、1/4、1/8倍頻，可作為其他芯片的時(shí)鐘源。下面討論這些用戶接口信號(hào)在無(wú)線收發(fā)模塊nRF903的操作模式控制與參數(shù)設(shè)置中所起在作用。(1)操作模式控制nRF903的操作模式控制由引腳TXEN、STBY和PWR_DWN來(lái)設(shè)置，nRF903操作模式所對(duì)應(yīng)的信號(hào)，如表12.1所示。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)16操作模式STBYPWR_DWNTXEN常規(guī)操作。接收模式000常規(guī)操作。發(fā)送模式001低功耗。所有電路處于休眠狀態(tài)01X等待。僅XOSC和CLKXOSC和CLK_OUT處于活動(dòng)狀態(tài)，在配置前CLK處于活動(dòng)狀態(tài)，在配置前CLK_OUT頻率為11.0592MHz頻率為11.0592MHz10X缺?。ń邮眨┠Ｊ?。SPI單元的配置被覆蓋，868MHz，接收模式，通道#0，輸出時(shí)鐘頻率為1.3824MHzSPI單元的配置被覆蓋，868MHz，接收模式，通道#0，輸出時(shí)鐘頻率為1.3824MHz110缺?。òl(fā)送）模式。SPI單元的配置被覆蓋，868MHz，發(fā)送模式，通道#0，輸出功率10dBm，輸出時(shí)鐘頻率為1.3824MHzSPI單元的配置被覆蓋，868MHz，發(fā)送模式，通道#0，輸出功率10dBm，輸出時(shí)鐘頻率為1.3824MHz111表12.1 nRF903操作模式設(shè)置2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)17(2)配置寄存器

RF903內(nèi)部含有一個(gè)14位的配置寄存器，用來(lái)設(shè)置4個(gè)工作參數(shù)：頻段、頻道數(shù)值（頻道中心位置）、輸出功率和時(shí)鐘輸出頻率。配置字的格式，如表12.2所示。位參數(shù)符號(hào)描述長(zhǎng)度（位）0～1頻段FB“00”FB=(433.92±0.87)MHz“01”FB=(869±1)MHz“10”FB=(915±13)MHz“11”未使用22～9頻道數(shù)值CHfcentre_433MHz=433.152×10×106+CH×153.6×10×153.6×103Hzfcentre_868MHz=868.1856×10×106+CH×153.6×10×153.6×103Hzfcentre_915MHz=902.0928×10×106+CH×153.6×10×153.6×103Hz810～11輸出功率POUT輸出功率≈-8dBm+6dBm×POUTdBm212～13時(shí)鐘輸出頻率fμP_clk“00”

μP=fX-talMHz“01”

μP=fX-tal/2MHz“10”

μP=fX-tal/4MHz“11”

μP=fX-tal/8MHz2總計(jì)14表12.2配置字的格式2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)18例如，設(shè)置nRF903工作于868MHz頻段，頻道號(hào)為5，收發(fā)器與微控制器共享同一時(shí)鐘源，此時(shí)配置字的計(jì)算如下。(1)設(shè)置頻段nRF903工作于868頻段，參考表12.2的配置字式，

選取FB=01b。(2)設(shè)置頻道(中心頻率)數(shù)值由于頻道號(hào)為5，即CH=00000101b，參考表12.2的配置字格式中的fcentre_868MHz=868.1856×106+CH×153.6×103[Hz]。得到，fcentre_868MHz

=868.9536MHz。(3)設(shè)置輸出功率將輸出功率設(shè)置為最小，以減少在傳輸模式時(shí)的電流損耗，

POUT=00b。(4)設(shè)置輸出到外部微控制器的頻率將微控制器的工作頻率設(shè)為與nRF903一致，即fμP_clk=00b。根據(jù)以上的設(shè)置，14位的配置字為（MSB）00000000010101b。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)1912.2無(wú)線通信接口的設(shè)計(jì)

12.2.1設(shè)計(jì)要求采用帶有內(nèi)嵌SPI接口的單片機(jī)C8051F340和無(wú)線收發(fā)模塊芯片nR903組成無(wú)線通信接口，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

12.2.2硬件連接nR903與C8051F340

組成的接口原理圖，如圖12.7所示。nR903工作所需的信號(hào)線可分為4組，均由單片機(jī)C8051F340提供。這些信號(hào)線的作用介紹如下。圖12.7無(wú)線通信接口硬件信號(hào)連線圖2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)20

1.第一組信號(hào)線

包括CLK_OUT和C_SENSE兩個(gè)信號(hào)，分別連接到單片機(jī)的P1.0和P1.1引腳，用于監(jiān)測(cè)nRF903的狀態(tài)。CLK_OUT是nRF903的時(shí)鐘輸出信號(hào)，可作為單片機(jī)的系統(tǒng)時(shí)鐘源，在本例中，并未以該輸出作為C8051F340單片機(jī)的時(shí)鐘源，而是連接到P1.0引腳，用來(lái)監(jiān)測(cè)nRF903的振蕩器工作是否正常。

C_SENSE是載波檢測(cè)信號(hào)，連接到P1.1引腳，作為程序進(jìn)行數(shù)據(jù)接收的判斷依據(jù)，因?yàn)橹挥写嬖谳d波時(shí)接收數(shù)據(jù)才有意義。2.第二組信號(hào)線包括CFG_DATA、CFG_CLK和CS3個(gè)信號(hào)，分別連接到單片機(jī)的SPI接口的3個(gè)引腳（MOSI、SCK、NSS），用于對(duì)nRF903配置字的寫入。在本例中，無(wú)線收發(fā)器芯片nRF903是作為SPI從設(shè)備，通過(guò)單片機(jī)C8051F340的SPI接口，將14位的配置字寫入nRF903的配置寄存器中，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻段、頻道、輸出功率和輸出時(shí)鐘頻率的配置。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)21

3.第三組信號(hào)線

包括STBY、PWR_DWN和TXEN3個(gè)信號(hào)，分別連接到單片機(jī)的P0.3、P0.6、P0.7引腳，用于nRF903工作模式的控制，各種工作模式的控制信號(hào)組合如表12.1所示。其中，TXEN腳用來(lái)控制發(fā)射或接收方式。發(fā)射和接收方式之間的切換需要數(shù)毫秒時(shí)間穩(wěn)定，這一點(diǎn)在通信軟件設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。

4.第四組信號(hào)線

包括DATA信號(hào)，為雙向，分別連接在單片機(jī)的RXD和TXD引腳，RXD和TXD之間通過(guò)一個(gè)10kΩ的電阻隔離，用于nRF903與C8051F340之間的數(shù)據(jù)傳輸。

由于nRF903是一種半雙工的無(wú)線通信元器件，發(fā)射和接收數(shù)據(jù)共用一個(gè)引腳DATA，因此不能同時(shí)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，其方向受TXEN信號(hào)的控制。

在發(fā)送時(shí)，DATA線上來(lái)自主機(jī)（單片機(jī)）的數(shù)據(jù)流會(huì)由nRF903調(diào)制成電磁波發(fā)射出去；在接收時(shí)，收到的載波信號(hào)，會(huì)由nRF903解調(diào)成數(shù)字信號(hào)通過(guò)DATA線傳輸?shù)街鳈C(jī)(單片機(jī))。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2212.2.3軟件程序流程1.無(wú)線接口的數(shù)據(jù)傳輸在實(shí)際應(yīng)用中，通常有一個(gè)設(shè)備被設(shè)置為發(fā)送模式，另一個(gè)設(shè)備被設(shè)置為接收模式。從硬件連接圖12.7可以看出，在發(fā)送方，通過(guò)微控制器的串行通信接口將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以串行的方式傳輸?shù)絥RF903無(wú)線收發(fā)器芯片，將其調(diào)制成無(wú)線載波信號(hào)傳輸出去。在接收方，nRF903無(wú)線收發(fā)器芯片接收到無(wú)線載波信號(hào)后，將其解調(diào)成數(shù)據(jù)，并通過(guò)微控制器的串行通信接口接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。整個(gè)傳輸?shù)倪^(guò)程中，nRF903實(shí)現(xiàn)了比特流數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。由于數(shù)據(jù)的傳輸實(shí)際上是由微控制器的串行接口控制的，因此，微控制器串行接口的波特率決定了無(wú)線通信的速率。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)232.無(wú)線接口數(shù)據(jù)傳輸簡(jiǎn)單協(xié)議在無(wú)線傳輸?shù)倪^(guò)程中，nRF903主要實(shí)現(xiàn)了物理層功能，即只不過(guò)實(shí)現(xiàn)比特波的傳輸。在無(wú)線通信和組網(wǎng)技術(shù)中，為能夠確保不同應(yīng)用環(huán)境下的通信鏈路及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性，保證數(shù)據(jù)傳輸速度的要求以及解決網(wǎng)絡(luò)互連互通問(wèn)題，通常會(huì)在上層制定不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或規(guī)范，如后面將要介紹的Zigbee協(xié)議，就屬于不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本例中，為了保證無(wú)線通信的可靠性，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，該通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀由包頭、地址、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼4部分組成，采用固定幀長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)幀格式如圖12.8所示。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)24圖12.8數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)幀由包頭（5字節(jié)）、地址字（6字節(jié)）、數(shù)據(jù)字（24字節(jié)）、校驗(yàn)字（1字節(jié)）4部分組成。包頭定義為0FFFFFFFFB3h，該字段作為接收和發(fā)射數(shù)據(jù)幀同步。地址字是設(shè)備地址，該地址要求在本無(wú)線通信系統(tǒng)內(nèi)不重復(fù)，采用以太網(wǎng)的MAC地址字節(jié)數(shù)，即6個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)字是該數(shù)據(jù)幀要傳輸?shù)膬?nèi)容，固定為24字節(jié)。校驗(yàn)字為1個(gè)字節(jié)，采用XOR方式，即校驗(yàn)字由數(shù)據(jù)幀的地址和數(shù)據(jù)字部分通過(guò)XOR運(yùn)算生成。如果接收到的數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)和0與本地生成的校驗(yàn)字不匹配，則說(shuō)明數(shù)據(jù)幀有錯(cuò)誤，要求重傳。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)253.發(fā)射子程序流程發(fā)射子程序如圖12.9所示。發(fā)射子程序先設(shè)置nRF903為發(fā)射模式；產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀，包括生成校驗(yàn)和0；等待數(shù)毫秒時(shí)間使nRF903發(fā)射電路穩(wěn)定；再按照數(shù)據(jù)幀的順序逐個(gè)發(fā)送每個(gè)字節(jié)；發(fā)射完畢使nRF903轉(zhuǎn)為等待模式。圖12.9發(fā)射子程序流程圖2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)264.收接子程序流程接收子程序如圖12.10所示。接收子程序先設(shè)置nRF903為接收模式并等待數(shù)毫秒后，檢測(cè)C_SENSE是否為高，若C_SENSE為高則說(shuō)明存在接收數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待。當(dāng)接收到同步字節(jié)后（以0B3h為標(biāo)志），說(shuō)明后續(xù)接收的字節(jié)為地址、數(shù)據(jù)和/校驗(yàn)和0。接收子程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)幀進(jìn)行校驗(yàn)，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常（例如/校驗(yàn)和0錯(cuò)），則要求重傳；若無(wú)異常，則解析數(shù)據(jù)并傳給主程序處理。接收完畢轉(zhuǎn)為等待模式圖12.10接收子程序流程圖2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2712.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)介ZigBee是近年來(lái)發(fā)展比較迅速的一種無(wú)線通信技術(shù)。它是基于IEEE802.15.4個(gè)域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的一種低速、短距離、低功耗的無(wú)線組網(wǎng)協(xié)議。ZigBee是由可多達(dá)65000個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，可在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)2812.3.1ZigBee的技術(shù)特點(diǎn)ZigBee是一種無(wú)線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國(guó)流行）3個(gè)頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點(diǎn)。(1)低功耗。由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年的使用時(shí)間，這是其他無(wú)線設(shè)備望塵莫及的。(2)成本低。ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5～2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。(3)時(shí)延短。通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制應(yīng)用（如工業(yè)控制場(chǎng)合等）。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)29(4)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)星形結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。(5)可靠。采取了碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。(6)安全。ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)30ZigBee技術(shù)應(yīng)用環(huán)境ZigBee技術(shù)在實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸?shù)膽?yīng)用十分廣泛，特別適合下列環(huán)境中應(yīng)用●需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點(diǎn)很多?！褚髠鬏?shù)臄?shù)據(jù)量不大，成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高。●設(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊?！竦匦螐?fù)雜，監(jiān)測(cè)點(diǎn)多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋?！瘳F(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)?！袷褂矛F(xiàn)存移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測(cè)遙控系統(tǒng)?！袷褂肎PS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動(dòng)目標(biāo)的定位應(yīng)用。●智慧標(biāo)簽。●無(wú)線傳感器網(wǎng)。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)3112.3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次模型及協(xié)議棧簡(jiǎn)介

1.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次模型

ZigBee基于開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型（RM），其網(wǎng)絡(luò)層次模型，如圖12.11所示。從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問(wèn)控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問(wèn)控制層遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成，12.1.3節(jié)介紹的無(wú)線收發(fā)模塊屬于PHY層，該層與接口技術(shù)緊密相關(guān)。MAC子層為上層訪問(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)32圖12.11ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次模型2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)33

2.ZigBee協(xié)議棧學(xué)習(xí)ZigBee技術(shù)，關(guān)鍵是對(duì)ZigBee協(xié)議棧的理解。ZigBee協(xié)議棧由ZigBee堆棧層(包括應(yīng)用層（APL）和網(wǎng)絡(luò)層（NWK）)和IEEE802.15.4協(xié)議所定義的媒體（介質(zhì)）訪問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）組成，如圖12.12所示。ZigBee堆棧層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)，IEEE則制定物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用層把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，可以通過(guò)ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）對(duì)網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進(jìn)行配置和訪問(wèn)，包括安全屬性設(shè)置和多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。圖12.12ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)34網(wǎng)絡(luò)層(NWK)負(fù)責(zé)設(shè)備到設(shè)備的通信和網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動(dòng)、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。媒體訪問(wèn)層(MAC)負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負(fù)責(zé)建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全，它能提供兩個(gè)設(shè)備之間的可靠鏈接。物理層(PHY)定義了物理無(wú)線信道和MAC子層之間的接口，如無(wú)線射頻應(yīng)該具備的特征，它支持兩種不同的射頻信號(hào)，分別位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)35ZigBee堆棧的不同層與802.15.4MAC通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）進(jìn)行通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問(wèn)內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。從應(yīng)用的角度看，通信的本質(zhì)就是端點(diǎn)到端點(diǎn)的連接。例如，一個(gè)帶開關(guān)組件的設(shè)備與帶一個(gè)或多個(gè)燈組件的遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行通信，目的是將這些燈點(diǎn)亮。所有端點(diǎn)都使用應(yīng)用支持子層（APS）提供的服務(wù)。APS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，因此能夠適配不同但兼容的設(shè)備，如帶燈的開關(guān)。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)36(1)物理層（PHY）IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為低速率無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)（LR-WPAN）定義了OSI模型開始的兩層。PHY層定義了無(wú)線射頻應(yīng)該具備的特征，物理層提供的服務(wù)是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的，物理層通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（PD-SAP）和物理層管理服務(wù)接入點(diǎn)（PLME-SAP）與MAC層通信，PD-SAP支持在對(duì)等的MAC層實(shí)體間進(jìn)行MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送，PLME-SAP則在MAC層管理實(shí)體之間提供管理命令的傳送。物理層主要完成如下任務(wù)：●無(wú)線收發(fā)器的激活與關(guān)閉●當(dāng)前信道的能量檢測(cè)●接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量標(biāo)識(shí)●為載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突防止（CSMS-CA）提供空閑信道估●工作信道選擇●數(shù)據(jù)發(fā)送和接收2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)37(2)媒體（介質(zhì)）訪問(wèn)控制層（MAC）MAC層負(fù)責(zé)相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負(fù)責(zé)建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全，它能提供兩個(gè)設(shè)備之間的可靠鏈接。MAC層與物理層之間通過(guò)PLME-SAP和PD-SAP進(jìn)行通信，通過(guò)MAC層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（MLDE-SAP）和MAC層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)（MLME-SAP）向業(yè)務(wù)相關(guān)子層提供MAC層數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。另外，MAC層能支持多種LLC標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)業(yè)務(wù)相關(guān)會(huì)聚子層（SSCS）協(xié)議承載802.2類型的LLC標(biāo)準(zhǔn)。MAC層功能如下：（1）當(dāng)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器時(shí)，產(chǎn)生信標(biāo)（beacon）幀（2）在信標(biāo)幀之間進(jìn)行同步（3）支持個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（PAN）的關(guān)聯(lián)與去關(guān)聯(lián)（4）支持節(jié)點(diǎn)安全機(jī)制（5）對(duì)信道接入使用CSMA-CA機(jī)制（6）處理和維護(hù)有保證的時(shí)隙（GTS）機(jī)制（7）在兩個(gè)對(duì)等MAC實(shí)體間提供可靠的鏈接2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)38(3)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）網(wǎng)絡(luò)層對(duì)于ZigBee協(xié)議非常重要，每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都包含網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)，為新加入網(wǎng)絡(luò)方分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等。另外網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用。為此，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體（NLDSE）和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)實(shí)體（NLMSE）。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)（NIB）的維護(hù)和管理。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)39(4)應(yīng)用層（APL）應(yīng)用層由3個(gè)部分組成：應(yīng)用子層(APS)、設(shè)備對(duì)象(ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象（AppObj）。APS通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務(wù)，可以適配不同但兼容的節(jié)點(diǎn)，并且提供了這樣的接口：在NWK層和APL層之間，從ZDO到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。ZigBee中的應(yīng)用層框架（APLFramework）為駐扎在ZigBee節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)4012.3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由不同類型的設(shè)備構(gòu)成的，不同類型的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)不同的角色，其對(duì)資源的要求也不盡相同。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設(shè)備（EndDevice）3種不同功能的成員，每種都有自己的功能要求。1.ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時(shí)還能設(shè)計(jì)信任中心和執(zhí)行其他活動(dòng)。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器。2.ZigBee路由器ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格或樹形網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)ZigBee路由器。ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。2023/2/4計(jì)算機(jī)接口技術(shù)41(3)ZigBee終端設(shè)備ZigBee終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其他需要與其通信的設(shè)備。它的存儲(chǔ)器容量要求最少。然而需要特別注意的是，網(wǎng)絡(luò)的不同架構(gòu)會(huì)很大程度上影響設(shè)備所需的資源。NWK支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溆行切?、樹形和網(wǎng)格形，其中，星形網(wǎng)絡(luò)對(duì)資源的要求最低。2023/2/