引言
ZigBee技術(shù)是最近發(fā)展起來的一種近距離無線通信技術(shù),，功耗低,、成本低,、易應(yīng)用,，工作在2.4GHz頻段，采用擴(kuò)頻技術(shù),。ZigBee被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工業(yè)監(jiān)控,、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控,、安全系統(tǒng)等領(lǐng)域的無線技術(shù),。目前市場(chǎng)上已經(jīng)有多家公司提供ZigBee產(chǎn)品，可是大多功能齊全的ZigBee無線通信系統(tǒng)（含協(xié)議棧）的價(jià)格卻比較昂貴,，單獨(dú)的ZigBee模塊又不具有組網(wǎng)通信,、節(jié)點(diǎn)自主加入的功能，這在很大程度上限制了ZigBee產(chǎn)品應(yīng)用的靈活性和廣泛性,。本文在FREESCALE公司的SMAC協(xié)議包的軟件構(gòu)架的基礎(chǔ)上,，采用MC13192RF收發(fā)器成功組建了一個(gè)ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)。在該網(wǎng)絡(luò)中,，多個(gè)通信節(jié)點(diǎn)能夠自由入網(wǎng),，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。并且各個(gè)節(jié)點(diǎn)在軟件和硬件上有著良好的可擴(kuò)展性,，能夠接入多路傳感器信號(hào)組網(wǎng)通信,。
1 星形網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系
星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，所有終端設(shè)備都與唯一的中央控制設(shè)備（PAN協(xié)調(diào)器）通信,，終端設(shè)備之間的通信通過PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn),。網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備要么是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)，要么是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點(diǎn),。
網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)PAN協(xié)調(diào)器,，它在網(wǎng)絡(luò)建立之前先對(duì)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)屬性初始化并建立協(xié)調(diào)器的描述符表，然后等待終端設(shè)備入網(wǎng),。星形網(wǎng)絡(luò)由于沒有路由器,，最多只能允許255個(gè)終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí),，必須先把數(shù)據(jù)包發(fā)送給PAN協(xié)調(diào)器,，PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)數(shù)據(jù)包中的源地址字段查詢近鄰設(shè)備列表,，判斷該終端設(shè)備是否已在網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)近鄰設(shè)備列表中存在該設(shè)備時(shí),，就說明該終端設(shè)備已經(jīng)處在網(wǎng)絡(luò)中,，然后PAN協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析。若數(shù)據(jù)包的目的地址字段為PAN協(xié)調(diào)器,，則PAN協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)包并處理其信息字段,；若數(shù)據(jù)包的目的地址字段為其他終端設(shè)備，則PAN協(xié)調(diào)器根據(jù)數(shù)據(jù)包中的目的地址字段是否為終端設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā),。在星形網(wǎng)絡(luò)中,，PAN協(xié)調(diào)器使用不間斷電源（UPS）供電，而其他設(shè)備采用電池供電,。
2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
不論是協(xié)調(diào)器還是終端設(shè)備,，硬件設(shè)計(jì)上大體是一致的，只是外圍電路根據(jù)不同環(huán)境需要稍作改動(dòng),。在工作模式下,，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收/發(fā)時(shí)間極短,；而在非工作模式時(shí),，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)又處于休眠模式。而且設(shè)備的搜索,、休眠激活和信道接入時(shí)延（分別為30 ms,、15 ms、15 ms）都很短,，使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗極低,，非常省電。圖2為硬件設(shè)計(jì)的基本框圖,。
MCU選用FREESCALE公司的8位微控制器MC9S08GT60,，內(nèi)部總線頻率高達(dá)20 MHz，完全能夠支持高實(shí)時(shí)性的射頻模塊,。60 KB的FLASH足夠容納ZigBee協(xié)議棧,。10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集。2個(gè)串行通信接口（SCI）用于和上位機(jī)進(jìn)行通信,。串行外設(shè)接口（SPI）用于MCU和射頻模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞,。每個(gè)功能模塊動(dòng)作完成后都能向MCU申請(qǐng)中斷，因此很少需要CPU干預(yù),。
2.2 射頻通信模塊
射頻通信模塊選用FREESCALE公司的MC13192 RF收發(fā)器,，它內(nèi)部包含了完整的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的物理層（PHY）調(diào)制解調(diào)器，用于支持IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的點(diǎn)對(duì)點(diǎn),、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信,。通信中，該收發(fā)器的包差錯(cuò)率在1.0%時(shí),，輸出功率小于-92 dBm（典型值）,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的-85 dBm。
MC13192的控制和數(shù)據(jù)傳送依靠4線串行外設(shè)接口（SPI）完成,，其4個(gè)接口信號(hào)分別是MOSI,、MISO、CE,、SPICLK,。主控MCU通過控制信號(hào)ATTN退出睡眠模式或休眠模式，通過RST來復(fù)位收發(fā)器,，通過RXTXEN來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收,，或者強(qiáng)制收發(fā)器進(jìn)入空閑模式。接口示意圖如圖3所示,。
3.1 SMAC協(xié)議包簡介
FREESCALE公司提供足夠的軟件支持MC13192硬件,，SMAC是MC13192射頻模塊產(chǎn)品隨機(jī)附帶的軟件協(xié)議包，用于簡單的個(gè)人無線連接,。SMAC協(xié)議包源程序是C語言,，該協(xié)議包可以應(yīng)用在基于MC13192集成電路的RF收發(fā)器中。協(xié)議包包含一個(gè)SMAC應(yīng)用模版以及幾個(gè)應(yīng)用示例程序（Wireless UART,、Packet Error Rate等）,，可以直接應(yīng)用于FREESCALE公司的2.4 GHz無線收發(fā)器*估板（MC13192EVB）。SMAC協(xié)議包雖是建立于HCS08系列的MCU和其串行接口SPI組成的硬件電路,，但是具有很好的可移植性,，能夠移植到大多數(shù)處理器內(nèi)核中使用。
3.2 軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架
當(dāng)MC13192射頻模塊搭配了適合的MCU時(shí),，用戶首先要在SMAC協(xié)議包的基礎(chǔ)上弄明白收發(fā)器各個(gè)工作狀態(tài)的基本特征,，以及各個(gè)工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換機(jī)制。然后更改SMAC協(xié)議包中硬件接口部分的程序,，在主程序中調(diào)用相應(yīng)功能服務(wù)函數(shù)進(jìn)行組合,。整個(gè)SMAC協(xié)議構(gòu)架采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換的思想，清楚地將MC13192收發(fā)器的休眠,、睡眠,、空閑、發(fā)送,、接收等狀態(tài)抽象并分解出來,，收發(fā)器對(duì)接收到數(shù)據(jù)的有效信息的相應(yīng)字段進(jìn)行判斷之后，依據(jù)協(xié)議改變收發(fā)器的工作狀態(tài),。
SMAC協(xié)議包是不包含ZigBee規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層的,，也就是說該協(xié)議包中不具有組網(wǎng)通信,、節(jié)點(diǎn)自主加入的功能程序，使用SMAC協(xié)議包只能夠?qū)崿F(xiàn)無線模塊之間進(jìn)行無目的的廣播方式的無線通信,。要使用MC13192收發(fā)器組建一個(gè)有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò),，并且能夠與其他的ZigBee產(chǎn)品相兼容，軟件設(shè)計(jì)必須嚴(yán)格遵守IEEE802.15.4協(xié)議,，在SMAC協(xié)議包構(gòu)架的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,。本文成功實(shí)現(xiàn)了非超幀結(jié)構(gòu)的星形網(wǎng)絡(luò)，具體軟件流程如圖4所示,。
PAN協(xié)調(diào)器選定創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)的信道后,，首先要初始化網(wǎng)絡(luò)的各種屬性，建立協(xié)調(diào)器的PAN信息數(shù)據(jù)庫,，分配網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)和16位的網(wǎng)絡(luò)短地址,，設(shè)定允許設(shè)備入網(wǎng)機(jī)制并初始化設(shè)備近鄰表，然后進(jìn)入接收模式等待其他節(jié)點(diǎn)加入,。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上電后,，也要初始化內(nèi)部資源并建立其自身節(jié)點(diǎn)的PAN信息數(shù)據(jù)庫之后，發(fā)送掃描信號(hào)進(jìn)而準(zhǔn)備通過MAC層關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò),。
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)先以廣播方式發(fā)送一個(gè)掃描信號(hào),，查看當(dāng)前信道是否存在PAN。協(xié)調(diào)器收到廣播信號(hào)后會(huì)發(fā)送一個(gè)確認(rèn)幀,。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)若沒有收到確認(rèn)幀就代表當(dāng)前信道還沒有協(xié)調(diào)器,，則繼續(xù)處于接收模式，等待協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)后直接將其加入網(wǎng)絡(luò),；若收到確認(rèn)幀,，即存在PAN，該節(jié)點(diǎn)就可以嘗試加入網(wǎng)絡(luò),。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令,，收到協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀后，根據(jù)信標(biāo)幀更新自身節(jié)點(diǎn)的信息數(shù)據(jù)庫中的PAN標(biāo)識(shí)等相關(guān)屬性,，并判斷當(dāng)前PAN協(xié)調(diào)器是否未飽和以及是否允許設(shè)備入網(wǎng),。若協(xié)調(diào)器允許設(shè)備入網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)就要向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求命令,，嘗試通過關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò),。協(xié)調(diào)器收到后把該節(jié)點(diǎn)信息（如64位擴(kuò)展地址等）寫入設(shè)備近鄰表并向該節(jié)點(diǎn)分配16位的網(wǎng)絡(luò)短地址。該節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器的關(guān)聯(lián)響應(yīng)命令后,，把短地址寫入其數(shù)據(jù)信息庫,，即成功入網(wǎng)。然后網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照功能設(shè)定使用此短地址向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般為電池供電,，在空閑狀態(tài)時(shí)就會(huì)進(jìn)入休眠節(jié)能狀態(tài),。外圍電路的控制主要是針對(duì)傳感器、開關(guān),、LED等器件的控制,，可隨時(shí)根據(jù)不同需求對(duì)軟件進(jìn)行相應(yīng)修改,。
3.4 調(diào)試及運(yùn)行
MC13192包括4種主動(dòng)模式：空閑模式,、TX模式、RX模式和CCA/能量檢測(cè)模式,?？臻e模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各個(gè)模式間轉(zhuǎn)換的起點(diǎn)必須是空閑模式,，從該模式起才能轉(zhuǎn)化到其他主動(dòng)模式,。
4 應(yīng)用
目前,，本設(shè)計(jì)已被應(yīng)用于某紡織車間線路改造的項(xiàng)目中。該車間有200臺(tái)紡機(jī),，每臺(tái)紡機(jī)獨(dú)立工作?，F(xiàn)在工廠要對(duì)車間實(shí)行統(tǒng)一控制，需要在每臺(tái)紡機(jī)上安裝.,，把紡機(jī)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給中央控制器,。中央控制器通過控制每臺(tái)紡機(jī)的停車狀態(tài)、車速,、打緯次數(shù),、加時(shí)產(chǎn)量等信息，進(jìn)而控制整個(gè)車間的運(yùn)行狀態(tài),。這樣既可提高車間的生產(chǎn)效率,，又使車間易于管理。若采用CAN總線等有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制,，由于車間各臺(tái)紡機(jī)布線通道已經(jīng)固定,，且車間的空間較小，這些因素給車間的線路設(shè)計(jì)造成了不便，而且走線的過于密*給車間增加安全隱患,。
ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的引入,，解決了該車間布局下的多臺(tái)設(shè)備之間不易走線的問題。中央控制器相當(dāng)于PAN協(xié)調(diào)器,，而每臺(tái)紡機(jī)的.相當(dāng)于終端設(shè)備,。網(wǎng)絡(luò)中只有這兩種角色，不需要增加PAN協(xié)調(diào)器,。每臺(tái)紡機(jī)每0.5s上傳一次數(shù)據(jù),，而且最遠(yuǎn)的紡機(jī)距離區(qū)域控制器也在80 m之內(nèi)，這些因素ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)都能夠滿足,。網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)答機(jī)制和數(shù)據(jù)校驗(yàn)機(jī)制能夠保證紡機(jī)數(shù)據(jù)的可靠傳輸,，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗極低。測(cè)試表明,，MC13192工作在停止,、休眠、睡眠,、空閑各模式時(shí)的工作電流依次為0.2μA,、1 μA、35 μA,、200 μA,。采用了低功耗的ZigBee無線技術(shù)之后，車間節(jié)約了大量成本,。
5 結(jié)論
本文利用FREESCALE公司的8位微處理器MC9S08GT60和射頻模塊MC13192在硬件上實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì),。通過對(duì)協(xié)議包SMAC進(jìn)行分析，在原有協(xié)議框架的基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展,，在軟件上實(shí)現(xiàn)了ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)的組建,。該網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了多個(gè)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)入網(wǎng)、網(wǎng)間可靠通信等功能,，并且成功應(yīng)用于紡織車間線路改造的項(xiàng)目中,。