基于ZigBee RF4CE的LED遙控系統(tǒng)的設(shè)計

孫靜 宋雪

摘要：ZigBee RF4CE協(xié)議是ZigBee聯(lián)盟與RF4CE聯(lián)合會于2009年制定的新一代家電遙控標(biāo)準(zhǔn)，具有更遠(yuǎn)的傳播距離、更好的抗干擾能力，并允許電器設(shè)備之間進(jìn)行雙向交互。提出了一種基于RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的LED系統(tǒng)的遙控系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)應(yīng)用飛思卡爾MC13213作為無線通信控制器通過lin總線控制LED系統(tǒng)的紅綠藍(lán)三色。調(diào)光控制使用freescale的MM908E625和3軸加速傳感器MMA7260QT。

關(guān)鍵詞：RF4CE； 遙控； 配對

中圖分類號：TP391.41 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-2163（2013）06-0040-04

0引言

ZigBee RF4CE（Radio Frequency For Consumer Electronics，以下簡稱RF4CE）協(xié)議是ZigBee聯(lián)盟與RF4CE聯(lián)合會于2009年制定的新一代家電遙控標(biāo)準(zhǔn)。相比傳統(tǒng)的紅外技術(shù)， RF4CE協(xié)議的信號傳播不受視距限制，具有更遠(yuǎn)的傳播距離、更好的抗干擾能力，并允許電器設(shè)備之間進(jìn)行雙向交互[1，2]。RF4CE有望徹底取代傳統(tǒng)紅外技術(shù)，成為家電遙控的射頻新標(biāo)準(zhǔn)。

RF4CE協(xié)議中的設(shè)備工作在IEEE802.15.4規(guī)定的2.4GHz頻段內(nèi)的15、20和25信道中的一或多個信道上，自適應(yīng)組網(wǎng)。在RF4CE定義的PAN里包含2種設(shè)備類型：目標(biāo)設(shè)備（Target）和控制設(shè)備（Controller） [2]。對其分析闡述如下：

（1）目標(biāo)設(shè)備。具備協(xié)調(diào)器（Coordinator）的所有功能，能夠作為協(xié)調(diào)器組建一個PAN，也可以加入其它目標(biāo)設(shè)備形成的PAN。

（2）控制設(shè)備。能夠加入目標(biāo)設(shè)備組建的PAN，與目標(biāo)設(shè)備配對（Pair），對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行控制。一個設(shè)備可以加入多個PAN，兩個設(shè)備之間要進(jìn)行通信，源設(shè)備必須先切換到目標(biāo)設(shè)備所在PAN的通信頻道，與目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行配對。圖1為RF4CE網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊粋€示例。該網(wǎng)絡(luò)中包含3個目標(biāo)設(shè)備：TV、DVD和CD播放器（player）。這三個目標(biāo)設(shè)備各自組成一個PAN，分別描述為：

①TV作為協(xié)調(diào)器組成PAN1。包括TV、TV RC（Remote Controller）、DVD和Multi-function RC（多功能遙控器）。

②CD作為協(xié)調(diào)器組成PAN2。包括CD、CD RC和Multi-function RC。

③DVD作為協(xié)調(diào)器組成PAN3。包括DVD、DVD RC、TV和Multi-function RC。其中，Multi-function RC是一個多功能遙控器，加入了3個PAN，可以對TV、DVD和CD進(jìn)行控制。

ZigBee RF4CE的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

1RF4CE協(xié)議架構(gòu)

RF4CE協(xié)議架構(gòu)基于OSI（Open System Interconnection）七層模型，以模塊和層作為基本單位，每層完成協(xié)議的一個部分，并為上層提供服務(wù)。圖2為RF4CE協(xié)議架構(gòu)[2]。RF4CE協(xié)議是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層和MAC層的基礎(chǔ)上提供網(wǎng)絡(luò)功能和公共應(yīng)用規(guī)范，為終端用戶（End user）應(yīng)用提供接口。生產(chǎn)商（Manufacturer）和經(jīng)銷商（Vendor）都可以在公共應(yīng)用規(guī)范基礎(chǔ)上自定義命令集。

RF4CE協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)層主要提供兩種服務(wù)。一種是數(shù)據(jù)服務(wù)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)包的發(fā)送和接收；另一種是管理服務(wù)，負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、配對、解除配對、接收器控制、設(shè)備初始化等。

RF4CE設(shè)備支持多種數(shù)據(jù)發(fā)送方式。各種數(shù)據(jù)發(fā)送方式分別如下：

（1）帶確認(rèn)（Acknowledged）。設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，必須向源設(shè)備返回確認(rèn)信息。

（2）不帶確認(rèn)（Unacknowledged）。設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，不需要向源設(shè)備返回確認(rèn)信息。

（3）單播（Unicast）。數(shù)據(jù)發(fā)送到指定的某一個設(shè)備。

（4）廣播（Broadcast）。數(shù)據(jù)發(fā)送給PAN內(nèi)的所有設(shè)備。

（5）多信道（Multiple channel）。如果數(shù)據(jù)在當(dāng)前選定的信道發(fā)送失敗，可以重新選擇信道發(fā)送。

（6）單信道（Single channel）。數(shù)據(jù)只在選定的信道上發(fā)送。

1.2發(fā)現(xiàn)服務(wù)

發(fā)現(xiàn)服務(wù)必須在非節(jié)能模式下才能進(jìn)行。節(jié)點通過執(zhí)行發(fā)現(xiàn)服務(wù)，來尋找能夠進(jìn)行配對的節(jié)點：發(fā)現(xiàn)服務(wù)會于一個固定的期間內(nèi)在三個PAN網(wǎng)絡(luò)中重復(fù)進(jìn)行，直到收到所有的應(yīng)答。在此時期內(nèi)，設(shè)備之間會交換如下信息：

（1）Node capabilities。節(jié)點的類型（目標(biāo)節(jié)點或控制節(jié)點），節(jié)點的供電類型，是否支持安全性。

（2）Vendor information。 RF4CE提供一個Vendor identifier或者Vendor string來制定對應(yīng)的特定供應(yīng)商標(biāo)識。

（3）Application information。用戶自定義一個字符串用于描述節(jié)點的應(yīng)用能力（如Lounge TV），一個設(shè)備類型列表可以制定哪些類型的設(shè)備是需要得到一定支持的（如一個綜合性設(shè)備可能同時支持TV 和DVD的功能），profile identifier列表制定該節(jié)點支持哪些類型的profiles。

（4） Requested device type。發(fā)現(xiàn)期間可以用于請求的設(shè)備類型（如一個多功能遙控器可能尋找TV的功能）。

1.3配對服務(wù)

一旦通過發(fā)現(xiàn)確定了設(shè)備，即還有另一種的移動設(shè)備在通信范圍內(nèi)提供兼容服務(wù)，為了開始通信，就可以建立配對鏈接。RF4CE網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，如果鏈接發(fā)起者和目標(biāo)設(shè)備之間配對已經(jīng)存在，節(jié)點可以與網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備直接通信。

發(fā)現(xiàn)過程中，通過轉(zhuǎn)換一組類似的信息，配對連接能夠建立來自應(yīng)用的請求。目標(biāo)設(shè)備上的應(yīng)用可以選擇是否接受到發(fā)起者的配對（僅當(dāng)有容量來存儲配對鏈接）以及確認(rèn)到發(fā)起者的配對請求。

如果配對請求成功，兩個設(shè)備在各自配對表存儲配對鏈接。允許發(fā)起者與目標(biāo)設(shè)備通信，目標(biāo)設(shè)備也和發(fā)起者通信。配對表里的每個實體包含了網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送一個幀信息到目標(biāo)設(shè)備的所有的必要信息。

配對表里的每個實體包含以下信息：

（1）配對編號（Reference）；

（2）源（Source）網(wǎng)絡(luò)地址；

（3）目的（Destination）邏輯信道；

（4）目的IEEE地址；

（5）目的PAN ID；

（6）目的網(wǎng)絡(luò)地址；

（7）接收設(shè)備（Recipient device）角色；

（8）接收幀計數(shù)（Recipient frame counter）；

（9）安全鏈路密鑰（Security link key）。

2LED系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高亮度LED系統(tǒng)用于遠(yuǎn)程控制RGB LED[3-5]。MCU（MC13213）[6]和遠(yuǎn)程控制之間的通訊是雙向的。MC發(fā)送廣播去尋找與MCU地址匹配的遠(yuǎn)程控制。如果傳送設(shè)備帶有請求匹配，即可建立通信。其后MCU從傳感器接收數(shù)據(jù)。MCU通過lin總線方式控制RGBW LED的亮度級別。MM908E625通過LIN物理層執(zhí)行一系列通信[7]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示[8-11]。

LED控制程序的基本流程為：

主程序初始化MCU、RF、SMAC協(xié)議、變量，從加速度傳感器獲取x、y、z軸的校準(zhǔn)值，初始化SCI2通信，使能中斷，進(jìn)入無線循環(huán)狀態(tài)。

無限循環(huán)包括特定的執(zhí)行模塊（RF協(xié)議）當(dāng)接收了xyz數(shù)據(jù)，每次循環(huán)都會調(diào)用Protocol（）函數(shù)的ConnDataCB。接收xyz數(shù)據(jù)后，將轉(zhuǎn)換這些變量并過濾成8位求解值。如果轉(zhuǎn)換模式是白色的燈，白色LED亮度由x軸的值控制。紅色、綠色和藍(lán)色保持關(guān)閉。如果轉(zhuǎn)換模式不是白色，白色LED保持關(guān)閉，紅色、綠色和藍(lán)色則由xyz軸的值控制。圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.3 LED system block diagram 表示四個變量（R，G，B，W）的地址0X01保存在SCI傳輸緩沖區(qū)里，而后由SCI2通道進(jìn)入SCI ZCOMM數(shù)據(jù)格式，再發(fā)送到LIN收發(fā)器。

2.2RF配對協(xié)議

ZCOMM和ZSTAR間的RF信息傳輸使用了一個簡單的協(xié)議，稱為RF配對協(xié)議，可以訪問3軸加速器、溫度、帶隙電壓以及獲取的校正數(shù)據(jù)。協(xié)議建立在MC13191的SMAC協(xié)議棧基礎(chǔ)上，是雙向的[11]。所有傳輸?shù)臄?shù)據(jù)均暫存在Zpackets包里。此協(xié)議允許最低開銷、最低的電池負(fù)載和加速度傳感器數(shù)據(jù)的快速傳輸。

作為主通信連接的ZCOMM板，加電后，COMM每40毫秒發(fā)送一次廣播呼叫，試圖獲取連接，并等待配對的設(shè)備應(yīng)答。如果發(fā)送了255次廣播而沒有應(yīng)答，獲取鏈接函數(shù)GetConnected（）將返回0，ZCOMM進(jìn)入空閑模式。每個ZCOMM板有一個特殊的網(wǎng)絡(luò)號，僅與傳感器匹配的網(wǎng)絡(luò)號鏈接。網(wǎng)絡(luò)號16位長，存儲在ZCOMM和ZSTAR的閃存中。

ZSTAR傳感器能夠重寫ZCOMM，第一次從空中接收的網(wǎng)絡(luò)號作為新的網(wǎng)絡(luò)號存儲在閃存中。RF協(xié)議的循環(huán)zstar_rf.c如下：

void Protocol（void）

{ for（；；）

{MLMESetChannelRequest（SiteSurvey（））；

if （GetConnected（） == 1）

DoProtocol（）；}}

SiteSurvey（）為通信找到一個通道。當(dāng)傳感器用正確的網(wǎng)絡(luò)號應(yīng)答廣播時，GetConnected（）返回1，啟動通信后，啟動傳輸zstar數(shù)據(jù)包。之后，MCU向傳感器發(fā)送確認(rèn)，協(xié)議流程如圖4所示。

如果RF數(shù)據(jù)得到了接收，執(zhí)行1ms的延遲，而后鏈接數(shù)據(jù)ConnDataCB則得到調(diào)用，ZSTAR_ACK作為數(shù)據(jù)確認(rèn)即被發(fā)送，MCU確認(rèn)鏈接成功。如果MCU并未接收到ZSTAR_ACK，MCU將試圖頻繁地接收確認(rèn)，數(shù)據(jù)包的周期性傳輸也會繼續(xù)。如果MCU不止一次都未能接收到確認(rèn)，鏈接將會中斷，MCU則會試圖建立新的鏈接。

2.3ZSTAR數(shù)據(jù)包格式

ZSTAR數(shù)據(jù)包定義在MC13191標(biāo)準(zhǔn)包格式中，由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成[11]。SMAC增加了一個16位的數(shù)據(jù)包控制字段來區(qū)分ZigBee和其他標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包。ZSTAR數(shù)據(jù)包格式如圖5所示。

由圖5可見，對Zpacket結(jié)構(gòu)的解析如下：

網(wǎng)絡(luò)號。網(wǎng)絡(luò)號是鏈接開始時隨機(jī)生成的，用以決定各變量間的鏈接，字段長16位。

ZSTAR_DATA。鏈接建立后，傳感器開始周期性地向USB發(fā)送Zdata格式數(shù)據(jù)。Zdata字段包含10個字節(jié)，分別為：x，y，z加速度數(shù)據(jù)、溫度值、帶隙基準(zhǔn)電壓和狀態(tài)信息，如圖6所示。

3結(jié)束語

射頻遙控有望徹底取代傳統(tǒng)紅外技術(shù)，RF4CE不但能提高操作的可靠性，提高信號的傳輸距離和抗干擾性，使得信號傳遞不再受障礙物的影響，還能實現(xiàn)雙向通信， 以及解決不同電器的互操作問題，遙控器電池的壽命也可顯著延長。消費者將不再需要用遙控器的發(fā)射端準(zhǔn)確指向電器的接收端，也不再需要數(shù)個遙控器來操作家中不同的電子設(shè)備。本文基于RF4CE的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了一個LED的遙控系統(tǒng)，對RF4CE標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步普及和設(shè)計實現(xiàn)具有一定的借鑒意義。

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