基于CC2430的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)
引言
2000年12月，IEEE成立了IEEE802.15.4工作組。這個工作組主要致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設(shè)備使用的低復(fù)雜度、低速率、低成本的無線技術(shù)。ZigBee正是這種技術(shù)的商業(yè)命名。IEEE802.15.4工作組同時為ZigBee技術(shù)制定了物理層和MAC層協(xié)議，其余協(xié)議則主要釆用和參照現(xiàn)有的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。其高層應(yīng)用、測試和市場推廣主要由ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。
1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述
ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)(OSI)七層協(xié)議模型。IEEE802.15.4-2003標(biāo)準(zhǔn)定義了較低的兩層:物理層(PHY)和媒體接入子層(MAC),而ZigBee聯(lián)盟同時定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用結(jié)構(gòu)層。ZigBee應(yīng)用層包括應(yīng)用子層(APS).Zig-Bee設(shè)備對象(ZDO)和制造商定義的應(yīng)用對象。
2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在兩種功能類型的設(shè)備、三種類型節(jié)點、三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及兩種工作模式。
2.1 功能類型
ZigBee網(wǎng)絡(luò)含全功能設(shè)備FFDCFullFunctionDevice)和精簡功能設(shè)備RFD(ReducedFunctionDe-vice)兩種功能類型的設(shè)備。
2.2 節(jié)點類型
ZigBee網(wǎng)絡(luò)包括的三種類型節(jié)點為協(xié)調(diào)器ZC(ZigBeeCoordinator),路由器ZR(ZigBeeRouter)和終端設(shè)備ZE(ZigBeeEndDevice),其中協(xié)調(diào)器和路由器均為全功能設(shè)備(FFD),而終端設(shè)備則可選用精簡功能設(shè)備(RFD)。
2.3 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持樹狀網(wǎng)(ClustertreeNet-work)星狀網(wǎng)(StarNetwork)和網(wǎng)狀網(wǎng)(MeshNet-work),圖1所示是ZigBee網(wǎng)絡(luò)所支持的樹狀網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
2.4 工作模式
ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式分為信標(biāo)模式和非信標(biāo)模式。信標(biāo)模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和休眠，以節(jié)省最大的功耗。非信標(biāo)模式只允許ZE進(jìn)行周期性休眠，而ZC和所有ZR設(shè)備長期處于工作狀態(tài)。
3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的硬件構(gòu)成及工作流程
3.1 CC2430片上的系統(tǒng)
CC2430是TI公司的第二代ZigBee平臺和真正SoC解決方案。它兼容IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),并在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430使用1個8位MCUC8051),具有128KB可編程閃存和8KB的RAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer).AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdogtimer)、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(PowerOnReset)、掉電檢測電路(Brownoutdetection)以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18CMOS工藝生產(chǎn);在接收和發(fā)射模式下,其電流損耗分別低于27mA和25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用,ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
3.2 ZigBee主節(jié)點工作流程
ZigBee主節(jié)點的工作流程如圖3所示。
首先由ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主節(jié)點發(fā)起信道掃描，經(jīng)通道能量掃描檢測API,選擇可用通道并建立WAN,再創(chuàng)建一個與從機相關(guān)的信息注冊表。注冊表內(nèi)容有從機的ID號、連接狀態(tài)、是否喚醒等信息。主控節(jié)點接入后,先對注冊表進(jìn)行檢査，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有未分配的ID,則主機發(fā)搜索命令,如果有從機回應(yīng),則為其分配此ID號，然后由主機切換到工作信道,等待從機發(fā)回應(yīng)答包，若ID號匹配，則分配成功，主機更新注冊信息列表。主機可以分別對注冊信息列表中的有效ID發(fā)送數(shù)據(jù)請求，以獲取傳感器(如溫度、濕度、煙霧含量等)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。若某ID在最大允許通信時間內(nèi)沒有發(fā)送應(yīng)答信息，那么，主機將再次更新該ID的注冊信息列表，如果確認(rèn)與從機失去聯(lián)系，則將該ID號予以注銷。
從機節(jié)點上電后，首先監(jiān)聽默認(rèn)信道，如果收到主機發(fā)送的搜索命令，則回應(yīng)主機，并附上自己的隨機碼。在收到主機的注冊命令后，先對比隨機碼，若匹配，則切換到工作信道，并使用注冊命令中分配的ID號發(fā)送應(yīng)答包，以完成注冊。隨后傳感器采集相關(guān)數(shù)據(jù)，等待主機呼叫傳感器的命令,數(shù)據(jù)發(fā)送完成后進(jìn)入休眠，若一定時間后喚醒，則再次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如此循環(huán)，中間采集到的數(shù)據(jù)量可以通過液晶等方式進(jìn)行直觀的顯示，并可以設(shè)定刷新時間頻率，以實現(xiàn)精確及時的控制。直到主節(jié)點發(fā)出完成命令，整個過程完成。
4 結(jié)語
近年來，隨著ZigBee技術(shù)的日趨成熟，市場對 ZigBee產(chǎn)品的應(yīng)用需求也越來越大。而基于 CC2430的ZigBee技術(shù)可用于網(wǎng)絡(luò)平臺的工程控制， 且其成本低、功能強大、組網(wǎng)靈活，非常符合ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用特點，因而具有良好的應(yīng)用前景。
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