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*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)備對象(ZDO)和制造商制訂的應(yīng)用對象應(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，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)對點(diǎn)通信，通過發(fā)送數(shù)據(jù)請求和應(yīng)答進(jìn)行通信。