基于Zigbee技術(shù)的通用無線通信模塊設(shè)計(jì)

1、基于Zigbee 技術(shù)的通用無線通信模塊設(shè)計(jì)殷明汪立偉(西南民族大學(xué)成都610041摘要總結(jié)了Zigbee 技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用,提出了基于Zigbee 技術(shù)的通用短距離無線通信模塊的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方案。介紹了模塊的軟硬件設(shè)計(jì)方案,并對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢測(cè)驗(yàn)證。關(guān)鍵詞Zigbee ;無線通信模塊;通信接口中圖法分類號(hào):TN 924.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A收稿日期:2006205223筆者利用Zigbee 技術(shù),設(shè)計(jì)了一種適合于短距離、低成本應(yīng)用場(chǎng)合的通信模塊。1Zigbee 技術(shù)1.1Z igbee 概述Zigbee 是一種短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),其開發(fā)是為了建立一種低成本、低功耗的小區(qū)域的無線通信

2、方式,在此基礎(chǔ)上通過軟件協(xié)議棧發(fā)展出易布建的大容量、不依賴現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)有電力網(wǎng)絡(luò)的無線網(wǎng)絡(luò)。Zigbee 在工業(yè)控制、家庭智能化、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景1。Zigbee 技術(shù)采用直接序列擴(kuò)頻(D SSS 的方式進(jìn)行無線信號(hào)的收發(fā),其工作頻率為2.4GH z 波段和868 915M H z 波段。2.4GH z 波段射頻支持250kb s 的數(shù)據(jù)速率和16個(gè)不同的信道。在868 915M H z 波段中,868M H z 支持1個(gè)數(shù)據(jù)速率為20kb s 的信道,915M H z 支持10個(gè)數(shù)據(jù)速率為40kb s 的信道。Zigbee 技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)連接功能非常豐富和強(qiáng)大。Zig

3、bee 技術(shù)的物理層、媒體存取控制層(m edia access con tro l ,M A C 和鏈路層采用了EEE 802.15.4(無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了完善和擴(kuò)展。其網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用會(huì)聚層和高層應(yīng)用規(guī)范(A P I 由Zigbee 聯(lián)盟進(jìn)行了制定,整個(gè)協(xié)議架構(gòu)如圖1所示。在網(wǎng)絡(luò)層方面,Zigbee 聯(lián)盟制訂Zigbee 可具備支持星狀、樹狀及網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Zigbee 依托于一個(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能不盡相同。大部分節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn), 只具有部分網(wǎng)圖1Zigbee 協(xié)議棧架構(gòu)絡(luò)功能,這些節(jié)點(diǎn)稱為精簡功能設(shè)備(reduced 2functi on device

4、 ,R FD ;而其余的一些節(jié)點(diǎn),負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信,匯集數(shù)據(jù)和發(fā)布控制,或起到通信路由的作用,稱之為全功能設(shè)備(fu ll 2functi on device ,FFD ;也稱為協(xié)調(diào)器。相較于FFD ,R FD 電路簡單且內(nèi)存較小。FFD 節(jié)點(diǎn)具備控制器(con tro ller 的功能,可提供數(shù)據(jù)交換,而R FD 則只能與FFD 傳輸數(shù)據(jù)。1.2Z igbee 的主要技術(shù)特點(diǎn)1低功耗。在低耗電待機(jī)模式下,2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作624個(gè)月,在相同條件下,藍(lán)牙能工作數(shù)天,W iF i 僅能工作數(shù)小時(shí)。2低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙協(xié)議的1 10,降低了對(duì)通信控制器的要

5、求,以8051的8位微控制器測(cè)算,全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32kb 代碼,子功能節(jié)點(diǎn)只需4kb 代碼。3低速率。Zigbee 工作速率為20250kb s ,分別提供250kb s (2.4GH z 、40kb s (915M H z 和20kb s (868M H z 的原始數(shù)據(jù)吞吐率,滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。4網(wǎng)絡(luò)容量大。Zigbee 可采用星狀、樹狀及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn);同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,可組成多達(dá)65000011交通與計(jì)算機(jī)2006年第5期第24卷總132期個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。5安全性能高。Zigbee 提供了3級(jí)安

6、全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(A CL 、防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(A ES 128的對(duì)稱密碼,可靈活確定其安全屬性。2模塊設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)框圖通信模塊設(shè)計(jì)方案由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。硬件方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示 。圖2系統(tǒng)框圖微處理器采用8位或16位高性能單片機(jī),考慮到通信模塊必須安裝Zigbee 協(xié)議棧,微處理器宜自帶一定容量的可編程flash 存儲(chǔ)器。M i 2croch i p 公司的16位單片機(jī)A Tm ega 128L 含有128K flash 存儲(chǔ)器,滿足全功能節(jié)點(diǎn)Zigbee 模塊的協(xié)議棧存儲(chǔ)要求。目前M icroch i p 已向公共用戶提供免費(fèi)的縮

7、減功能的協(xié)議棧,用于普通用戶的系統(tǒng)開發(fā)。因此本方案采用該單片機(jī)作為核心M CU 。A Tm ega 128L 自帶1個(gè)SP I 接口和2個(gè)串口(U A R T ,這3個(gè)接口可以靈活的設(shè)定?？紤]到Zigbee 通信模塊的應(yīng)用通用性,本方案采用SP I 作為通用輸入輸出接口,連接模塊的通用輸入輸出單元,作為模塊與其他應(yīng)用系統(tǒng)的工作接口電路。采用1個(gè)U A R T 口作為模塊同計(jì)算機(jī)的接口。這樣配合上層應(yīng)用軟件,采用R S 232方式連接的計(jì)算機(jī)可以方便可靠地向本模塊下載程序;同時(shí)接收模塊采集發(fā)送到主控臺(tái)的數(shù)據(jù)?？驁D中RAM 模塊可作為模塊上電工作后M CU 程序運(yùn)行單元。2.2射頻(RF 單元目前

8、,在投入應(yīng)用的Zigbee 射頻芯片中,CC 2420是應(yīng)用較廣泛的一種。CC 2420是標(biāo)準(zhǔn)的Zigbee 芯片,符合Zigbee 聯(lián)盟的規(guī)定協(xié)議;采用直接序列擴(kuò)頻的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā),工作在IS M 的免費(fèi)2.4G 頻帶;可同時(shí)工作為全功能節(jié)點(diǎn)(FFD 和縮短功能節(jié)點(diǎn)(R FD ;輸出信號(hào)可調(diào)且可完成接收信號(hào)強(qiáng)度指示(R SS I ;采用CRC -16、A ES 硬件加密等方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽俊C 2420封裝形式為QL P 248p ackage ,大小僅為7×7mm ,高度集成性可將無線傳輸模塊硬件電路模塊設(shè)計(jì)成很小的尺寸,方便與其他電路連接。其典型連接如圖3所示2。

9、可以看到CC 2420只需很少的電路元器件就能組成完整的射頻工作單元,其中SP I 數(shù)字接口用來連接M CU 。R F 單元、M CU 單元共同組成完整的工作模塊3。2.3通用無線通信模塊的軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)模塊通用的關(guān)鍵,其設(shè)計(jì)目標(biāo)是提供一種不依賴于應(yīng)用和硬件M CU 的監(jiān)控程序。該程序主要包括模塊定義、系統(tǒng)參數(shù)初始化和模塊功能實(shí)現(xiàn)3部分。模塊定義根據(jù)應(yīng)用要求定義模塊是FFD 還是R FD ,從而確定節(jié)點(diǎn)性質(zhì)圖3CC 2420典型連接111基于Zigbee 技術(shù)的通用無線通信模塊設(shè)計(jì)殷明汪立偉和軟件內(nèi)核規(guī)模。系統(tǒng)參數(shù)初始化主要進(jìn)行協(xié)議棧配置,參數(shù)初始化流程如圖4所示。首先定義系統(tǒng)的時(shí)鐘信

10、號(hào),然后定義Zigbee 芯片所連接的M CU 類型和型號(hào),接著定義通信模塊性質(zhì)即定義通信模塊所在節(jié)點(diǎn)為全功能節(jié)點(diǎn)還是縮減功能節(jié)點(diǎn);再接著定義模塊的工作頻率、電源管理方式及Zigbee 網(wǎng)絡(luò)層和M A C 層的參數(shù),如網(wǎng)絡(luò)地址、節(jié)點(diǎn)所屬接口、集群等。模塊功能實(shí)現(xiàn)主要包括由模塊用戶開發(fā)的上層應(yīng)用程序 。圖4初始化軟件流程圖在程序設(shè)計(jì)中需要考慮較多的因素,如電源管理、網(wǎng)絡(luò)路由、通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)管理和網(wǎng)絡(luò)安全等。系統(tǒng)的初始化程序中需要首先定義這些參數(shù)。模塊的初始化可通過兩個(gè)方法實(shí)現(xiàn),一是直接設(shè)置在單片機(jī)源程序中初始化部分,采用專門的宏定義文件;一是開發(fā)專門的上層軟件,在PC 機(jī)操作系統(tǒng)窗口中設(shè)置。

11、從模塊應(yīng)用的通用型考慮,后者比較合適,但為了不增加硬件的復(fù)雜性,初始化程序數(shù)據(jù)需嵌入到M CU 程序中,從串口下載至M CU 的flash 存儲(chǔ)器中。2.4模塊方案檢測(cè)驗(yàn)證選取基于以上方案的兩個(gè)模塊進(jìn)行驗(yàn)證。通信雙方都為縮減功能設(shè)備,通信方式為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信;通信距離分別為無障礙50m 和30m ;發(fā)送方以5kb s 速率循環(huán)發(fā)送字符信號(hào),接收端正確接受傳輸信號(hào),誤碼率為零;驗(yàn)證結(jié)果表明,模塊正常通信,傳輸距離、傳輸速率符合要求。通過上層軟件能正常同模塊通信,對(duì)模塊的多樣性初始化能滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。由于試驗(yàn)條件所限,未能驗(yàn)證模塊在大規(guī)模應(yīng)用和復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)通信特性。3結(jié)語筆者提出了一種

12、基于Zigbee 技術(shù)實(shí)現(xiàn)短距離小區(qū)域無線通信的通用模塊方案,本方案能夠較好地解決目前短距離無線通信模塊常遇的問題。適用于通信節(jié)點(diǎn)應(yīng)用較多的場(chǎng)合。目前,基于Zigbee 技術(shù)的開發(fā)方案所面臨的主要問題是,Zigbee 軟件協(xié)議棧較為昂貴,導(dǎo)致開發(fā)系統(tǒng)成本較高。因此,設(shè)計(jì)通用型無線通信模塊是非常有意義的。參考文獻(xiàn)1原羿,蘇鴻根.基于Zigbee 技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件,2004(6:892912Sm art Sen so rDVB s :Sen so r N etw o rk D evelopm en tBoards w ith Sm art A n tennas ,2004:

13、62133N ing Xu .A w ireless sen so r netw o rk fo r structu ralmon ito ring .2004(6:28233D esign of Genera l W ireless Co mm un ica tion sM odule Ba sed on Z igbeeY IN M i ng W ANG L iwe i(S ou thw est U n iversity f or N a tiona lity ,Cheng d u 610041,Ch ina Abstract :T he paper summ arizes the featu res and app licati on of Zigbee ,and p resen ts the design idea and p ro jectof general sho rt distance w ireless comm un icati on s modu le based on Zigbee .In t