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(wǎng)絡通信的組網(wǎng)解決方案，它是ZigBee聯(lián)盟基于IEEE 802.15.4技術標準物理層和媒體訪問控制層(MAC層)協(xié)議對網(wǎng)絡層協(xié)議和API進行標準化而制定的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)、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。

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(wǎng)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(wǎng)絡、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持星形、樹形、網(wǎng)絡三種拓撲結構，網(wǎng)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(diào)器(ZCRD)和路由器，協(xié)調(diào)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(wǎng)絡中的角色，并負責網(wǎng)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(wǎng)絡設備間安全關系

ZigBee網(wǎng)絡采用多點接入，有使能信標網(wǎng)絡或不使能信標網(wǎng)絡兩種類型使能信標的網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)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(wǎng)絡、同步傳送數(shù)據(jù)在不使能信標的網(wǎng)絡中，協(xié)調(diào)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(diào)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

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——EM250

EM250是 Ember公司推出的ZigBee片上系統(tǒng)，它集成了一個符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz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(wǎng)絡級的調(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、全功能設備或簡化功能設備的要求

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8.5mA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1.5μA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

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，利用功率管理來合適設置工作模式

硬件組成及設計

EM250集成了MCU、射頻收發(fā)器、內(nèi)存以及通信端口，只需要極少的外圍元器件就可構成ZigBee網(wǎng)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(diào)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(RF BALUN 50/200Ω)、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 50Ω非平衡天線等

網(wǎng)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 3～3.3V直流源提供或由USB接口5V電源經(jīng)FT232R轉換為3.3V電源提供，3～3.3V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(diào)器，其主要功能是初始化及維護整個ZigBee網(wǎng)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(wǎng)絡的節(jié)點的表，加入到此ZigBee網(wǎng)絡的設備必須得到協(xié)調(diào)器的批準協(xié)調(diào)器需要不間斷地監(jiān)聽其他節(jié)點加入或退出網(wǎng)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(diào)器不能進入“睡眠”模式典型的協(xié)調(diào)器軟件功能模塊設計見圖3

ZigBee網(wǎng)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(diào)器等節(jié)點間數(shù)據(jù)的路由，是構建網(wǎng)絡結構ZigBee網(wǎng)絡所必須的，同協(xié)調(diào)器一樣，全功能設備也維護著網(wǎng)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(wǎng)絡的終端設備，它可以同協(xié)調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(wǎng)絡管理界面來完成集中網(wǎng)絡管理界面安裝于與協(xié)調(diào)器相連接的PC，用于用戶同ZigBee網(wǎng)絡進行交互，主要功能有網(wǎng)絡拓撲顯示、節(jié)點狀態(tài)顯示、節(jié)點數(shù)據(jù)、告警信息、網(wǎng)絡日志等

小結

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡具有廣泛的應用前景，已越來越得到業(yè)界的重視并逐步開始廣泛應用基于EM250實現(xiàn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡具有實現(xiàn)簡易、方便，同時利用Ember的InSight集成開發(fā)環(huán)境，可快速地進行系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、編譯，具有很強的實際應用價值