Zigbee協(xié)議星形組網(wǎng)實驗的設(shè)計與實現(xiàn)

冉彥中，曹婧華，姜 威，趙 飛

（1.吉林大學(xué)（和平校區(qū)）計算機(jī)教研室，吉林長春 130062；2.吉林大學(xué)白求恩醫(yī)學(xué)院，吉林長春 130021；3.吉林大學(xué)軍需科技學(xué)院，吉林長春 130062）

Zigbee技術(shù)是短距離、低速率、低功耗、低成本的短距離無線通信技術(shù)，它與IEEE802.15.14一起構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，適用于網(wǎng)點多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場合。

1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)有3 種拓?fù)湫问剑盒切巍⒋貥湫魏途W(wǎng)形。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點按功能劃分為終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點在IEEE 802.15.4中稱為PAN（Personal Area Network）協(xié)調(diào)點，它是整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點，負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點以及存儲網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點信息等，網(wǎng)絡(luò)形成后也可以執(zhí)行路由器的功能，ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點必須是FFD（full function device），一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點；路由器節(jié)點是全功能節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，起到路由的作用，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)成一個數(shù)據(jù)節(jié)點，還能保持網(wǎng)絡(luò)，為后加入的節(jié)點分配地址；終端節(jié)點RFD（recuced function device），通常定義為電池供電的低功耗設(shè)備，只周期性發(fā)送數(shù)據(jù)，不接收數(shù)據(jù)。圖1為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成與設(shè)計

本實驗設(shè)計采用基于2.4GHz的Zigbee模塊進(jìn)行傳感器［1－3］的節(jié)點設(shè)計，外面接有溫度傳感器。溫度傳感器采集回來的數(shù)據(jù)送到Zigbee模塊進(jìn)行處理，然后由無線的形式發(fā)送給其他節(jié)點。Zigbee模塊由無線通信模塊（IEEE 802.15.4.RF 2.4GHz）、微控制器模塊、能量模塊和溫度傳感器模塊4個部分組成（見圖2）。Zigbee硬件電路采用TI／Chipcon 公司開發(fā)的2.4GHz IEEE 802.15.4／Zigbee片上系統(tǒng)解決方案CC2430。CC2430整合了2.4GHz IEEE 802.15.4／Zigbee RF 收發(fā)機(jī)CC2420，以及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU 的性能，還包括了8KB 的SRAM、大容量閃存以及許多其他特性。CC2430在接收機(jī)傳輸模式下的電流損耗為25mA，使得RFID 成為針對超長電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。3種類型的節(jié)點硬件電路都是一樣的，其功能的差別體現(xiàn)在各自的軟件上，從而在無線網(wǎng)絡(luò)中扮演不同的角色。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)圖

3 Zigbee無線收發(fā)模塊軟件設(shè)計

Zigbee無線收發(fā)模塊軟件設(shè)計主要包括Zigbee協(xié)調(diào)器［4－10］和終端節(jié)點設(shè)備的軟件設(shè)計。

協(xié)調(diào)器與接受模塊通過串口RS－232連接，并將各個路由器節(jié)點的控制命令轉(zhuǎn)發(fā)下去。各個路由器和終端設(shè)備在加入網(wǎng)絡(luò)后把自己的網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)地址后建立地址表，并且把地址存儲起來，以便控制命令準(zhǔn)確發(fā)送。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點程序流程如圖3所示。

在Zigbee協(xié)議棧里初始化一個星型網(wǎng)絡(luò)只需進(jìn)行相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置，再調(diào)用函數(shù)aplFormNetwork（），即可建立一個新的網(wǎng)絡(luò)。初始化協(xié)調(diào)器：首先網(wǎng)絡(luò)層請求MAC 層掃描檢測，掃描完成后網(wǎng)絡(luò)層從MAC層接收到返回信號，然后再選擇一個合適的信道；如果應(yīng)用層已經(jīng)確定了PANID 參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)層將確保所給定的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符不會與所選擇的現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)產(chǎn)生沖突，如果存在沖突則從給定的信道中選擇另外一個信道；一旦合適的信道和網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志符PAN ID 確定后，網(wǎng)絡(luò)管理實體將選擇0X0000作為16位的短MAC地址，告知MAC 層；一個RFD 節(jié)點可以調(diào)用aplJoinNetwork（）函數(shù)加入當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，RFD 節(jié)點上電后首先掃描網(wǎng)絡(luò)中是否存在協(xié)調(diào)器，如果主機(jī)存在，主機(jī)會自動應(yīng)答RFD 節(jié)點，當(dāng)RFD 節(jié)點收到主機(jī)3次應(yīng)答信號后，RFD 節(jié)點就可以向協(xié)調(diào)器發(fā)送自己的64位物理地址；協(xié)調(diào)器收到RFD 發(fā)送來的64位物理地址后，根據(jù)加入的先后給RFD 節(jié)點分配16位的網(wǎng)絡(luò)地址，那么RFD 節(jié)點成功加入網(wǎng)絡(luò)。

圖3 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點程序流程圖

協(xié)調(diào)器建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的運行：網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點按照入網(wǎng)的先后順序獲得一個網(wǎng)絡(luò)地址，并且這些網(wǎng)絡(luò)地址都發(fā)給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器將這些地址存儲起來，建立網(wǎng)絡(luò)表；當(dāng)一定時間內(nèi)沒有新的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器認(rèn)為整個網(wǎng)絡(luò)建立完成。

4 Zigbee軟件模塊部分實現(xiàn)代碼

Zigbee的星型網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)實驗在應(yīng)用層上編寫程序。協(xié)議棧的程序是2430［11］的開發(fā)商編寫的，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成組網(wǎng)，以下是協(xié)調(diào)器和RFD 具體說明。

5 實驗測試

實驗采用Zigbee協(xié)議實驗節(jié)點6個，由終端設(shè)備RFD 節(jié)點定時采集溫度環(huán)境監(jiān)測參數(shù)，并通過Zigbee協(xié)議建立網(wǎng)絡(luò)，將檢測數(shù)據(jù)匯集到協(xié)調(diào)器，然后將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)的串口。

實驗用到了燒寫程序軟件Jennic Flash Programmer，將串口線連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點，打開PC 機(jī)上的串口調(diào)試助手，波特率設(shè)置為115 200bit／s，可以收到節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)。發(fā)送的數(shù)據(jù)包格式如下：

其中：“00 16”為包號，“00 15 8D 00 00 09 10 1D”為發(fā)送節(jié)點的地址，“00 01”為協(xié)調(diào)器分配的短地址，“00 1D”為溫度數(shù)值，“00 DB”，“0A 3E”為節(jié)點電壓數(shù)值，“FF FF”為包尾。此時用手按住某終端設(shè)備節(jié)點或路由器節(jié)點的溫度傳感器，就可以發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)包中溫度數(shù)值也相應(yīng)地發(fā)生改變。

6 結(jié)論

本實驗設(shè)計成本低廉，響應(yīng)速度快，系統(tǒng)可靠性高，并在不斷發(fā)展的短距離無線通信技術(shù)中進(jìn)行了有益地探索。

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