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引言 ZigBee 技術是最近發展起來的一種近距離無線通信技術，功耗低、成本低、易應用，工作在2.4 GHz 頻段，采用擴頻技術。ZigBee 被業界認為是最有可能應用在工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等領域的無線技術。目前市場上已經有多家公司提供ZigBee產品，可是大多功能齊全的ZigBee 無線通信系統(含協議棧)的價格卻比較昂貴，單獨的ZigBee 模塊又不具有組網通信、節點自主加入的功能，這在很大程度上限制了ZigBee 產品應用的靈活性和廣泛性。本文在Freescale 公司的SMAC 協議包的軟件構架的基礎上，采用MC13192 RF 收發器成功組建了一個ZigBee 星形網絡。在該網絡中，多個通信節點能夠自由入網，在網絡中實現數據包的可靠傳輸。并且各個節點在軟件和硬件上有著良好的可擴展性，能夠接入多路傳感器信號組網通信。 1 星形網絡的結構體系 
圖1 星形網絡結構框圖 星形網絡結構如圖1 所示，所有終端設備都與唯一的中央控制設備(PAN 協調器)通信，終端設備之間的通信通過PAN 協調器的轉發來實現。網絡終端設備要么是數據傳輸的起點，要么是數據傳輸的終點。 網絡中必須有一個PAN 協調器，它在網絡建立之前先對網絡的各個屬性初始化并建立協調器的描述符表，然后等待終端設備入網。星形網絡由于沒有路由器，最多只能允許255個終端設備加入網絡。終端設備進行數據發送時，必須先把數據包發送給PAN 協調器，PAN協調器根據數據包中的源地址字段查詢近鄰設備列表，判斷該終端設備是否已在網絡中。當近鄰設備列表中存在該設備時，就說明該終端設備已經處在網絡中，然后PAN 協調器對數據包進行分析。若數據包的目的地址字段為PAN 協調器，則PAN 協調器接收數據包并處理其信息字段;若數據包的目的地址字段為其他終端設備，則PAN 協調器根據數據包中的目的地址字段是否為終端設備進行數據包的轉發。在星形網絡中，PAN 協調器使用不間斷電源(UPS)供電，而其他設備采用電池供電。 2 網絡節點的硬件設計 不論是協調器還是終端設備，硬件設計上大體是一致的，只是外圍電路根據不同環境需要稍作改動。在工作模式下，網絡節點的傳輸數據量很小，因此信號的收/發時間極短;而在非工作模式時，網絡節點又處于休眠模式。而且設備的搜索、休眠激活和信道接入時延(分別為30 ms、15 ms、15 ms)都很短，使得網絡節點功耗極低，非常省電。圖2 為硬件設計的基本框圖。
圖2 網絡節點的硬件框圖 2.1 中央處理單元 MCU 選用Freescale 公司的8 位微控制器MC9S08GT60，內部總線頻率高達20 MHz，完全能夠支持高實時性的射頻模塊。60 KB 的Flash 足夠容納ZigBee 協議棧。10 位的A/D轉換模塊用于對傳感器信號的數據采集。2 個串行通信接口(SCI)用于和上位機進行通信。串行外設接口(SPI)用于MCU 和射頻模塊之間的數據傳遞。每個功能模塊動作完成后都能向MCU 申請中斷，因此很少需要CPU 干預。 2.2 射頻通信模塊 射頻通信模塊選用Freescale 公司的MC13192 RF 收發器，它內部包含了完整的IEEE802.15.4 標準的物理層(PHY)調制解調器，用于支持IEEE 802.15.4 標準所規定的點對點、星狀和網狀網絡通信。通信中，該收發器的包差錯率在1.0%時，輸出功率小于-92 dBm(典型 值)，遠遠低于IEEE 802.15.4 標準所規定的-85 dBm。 2.3 MCU 與射頻模塊的接口 MC13192 的控制和數據傳送依靠4 線串行外設接口(SPI)完成，其4 個接口信號分別是MOSI、MISO、CE、SPICLK。主控MCU 通過控制信號ATTN 退出睡眠模式或休眠模式，通過RST 來復位收發器，通過RXTXEN 來控制數據的發送和接收，或者強制收發器進入空閑模式。接口示意圖如圖3 所示。
圖3 MC9S08GT60 與MC13192 的接口 3 網絡節點的軟件設計 3.1 SMAC 協議包簡介 Freescale 公司提供足夠的軟件支持MC13192 硬件，SMAC 是MC13192 射頻模塊產品隨機附帶的軟件協議包，用于簡單的個人無線連接。SMAC 協議包源程序是C 語言，該協議包可以應用在基于MC13192 集成電路的RF 收發器中。協議包包含一個SMAC 應用模版以及幾個應用示例程序(Wireless UART、Packet Error Rate 等)，可以直接應用于Freescale 公司的2.4 GHz 無線收發器評估板(MC13192EVB)。SMAC 協議包雖是建立于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，能夠移植到大多數處理器內核中使用。 3.2 軟件設計構架 當MC13192 射頻模塊搭配了適合的MCU 時，用戶首先要在SMAC 協議包的基礎上弄明白收發器各個工作狀態的基本特征，以及各個工作狀態之間的轉換機制。然后更改SMAC協議包中硬件接口部分的程序，在主程序中調用相應功能服務函數進行組合。整個SMAC協議構架采用狀態轉換的思想，清楚地將MC13192 收發器的休眠、睡眠、空閑、發送、接收等狀態抽象并分解出來，收發器對接收到數據的有效信息的相應字段進行判斷之后，依據協議改變收發器的工作狀態。 SMAC 協議包是不包含ZigBee 規范的網絡層的，也就是說該協議包中不具有組網通信、節點自主加入的功能程序，使用SMAC 協議包只能夠實現無線模塊之間進行無目的的廣播方式的無線通信。要使用MC13192 收發器組建一個有效的無線傳感器網絡，并且能夠與其他的ZigBee 產品相兼容，軟件設計必須嚴格遵守IEEE 802.15.4 協議，在SMAC 協議包構架的基礎上進一步對協議進行擴展。本文成功實現了非超幀結構的星形網絡，具體軟件流程如圖4 所示。
圖4 軟件流程 3.3 組網的基本過程 PAN 協調器選定創建網絡的信道后，首先要初始化網絡的各種屬性，建立協調器的PAN信息數據庫，分配網絡ID 號和16 位的網絡短地址，設定允許設備入網機制并初始化設備近鄰表，然后進入接收模式等待其他節點加入。網絡節點上電后，也要初始化內部資源并建立其自身節點的PAN 信息數據庫之后，發送掃描信號進而準備通過MAC 層關聯過程加入網絡。 網絡節點先以廣播方式發送一個掃描信號，查看當前信道是否存在PAN。協調器收到廣播信號后會發送一個確認幀。網絡節點若沒有收到確認幀就代表當前信道還沒有協調器，則繼續處于接收模式，等待協調器發現該節點后直接將其加入網絡;若收到確認幀，即存在PAN，該節點就可以嘗試加入網絡。網絡節點首先向PAN 協調器發送信標請求命令，收到協調器的信標幀后，根據信標幀更新自身節點的信息數據庫中的PAN 標識等相關屬性，并判斷當前PAN 協調器是否未飽和以及是否允許設備入網。若協調器允許設備入網，網絡節點就要向協調器發送關聯請求命令，嘗試通過關聯方式加入網絡。協調器收到后把該節點信息(如64 位擴展地址等)寫入設備近鄰表并向該節點分配16 位的網絡短地址。該節點收到協調器的關聯響應命令后，把短地址寫入其數據信息庫，即成功入網。然后網絡節點按照功能設定使用此短地址向協調器發送信息。網絡節點一般為電池供電，在空閑狀態時就會進入休眠節能狀態。外圍電路的控制主要是針對傳感器、開關、LED 等器件的控制，可隨時根據 不同需求對軟件進行相應修改。 3.4 調試及運行 MC13192 包括4 種主動模式：空閑模式、TX 模式、RX 模式和CCA/能量檢測模式。空閑模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各個模式間轉換的起點必須是空閑模式，從該模式起才能轉化到其他主動模式。 MC13192 發送片上事件給主控MCU 通過中斷(IRQ)來完成，作為主機的外部中斷源，主機通過讀MC13192 的中斷標志寄存器IRQ_status 的相應標志位來判別各個片上事件的發生。然而IRQ 的中斷優先級在MCU 中僅次于復位信號，比計數器中斷、鍵盤中斷等優先級都要高，因此當程序中涉及其他中斷時,用戶須先屏蔽MCU 的外部中斷源(IRQ)，再單獨打開要使用的中斷源。 4 應用 目前，本設計已被應用于某紡織車間線路改造的項目中。該車間有200 臺紡機，每臺紡機獨立工作。現在工廠要對車間實行統一控制，需要在每臺紡機上安裝監控器，把紡機數據實時上傳給中央控制器。中央控制器通過控制每臺紡機的停車狀態、車速、打緯次數、加時產量等信息，進而控制整個車間的運行狀態。這樣既可提高車間的生產效率，又使車間易于管理。若采用CAN 總線等有線網絡進行控制，由于車間各臺紡機布線通道已經固定，且車間的空間較小，這些因素給車間的線路設計造成了不便，而且走線的過于密集會給車間增加安全隱患。 ZigBee 無線網絡的引入，解決了該車間布局下的多臺設備之間不易走線的問題。中央控制器相當于PAN 協調器，而每臺紡機的監控器相當于終端設備。網絡中只有這兩種角色，不需要增加PAN 協調器。每臺紡機每0.5 s 上傳一次數據，而且最遠的紡機距離區域控制器也在80 m 之內，這些因素ZigBee 星形網絡都能夠滿足。網絡中的應答機制和數據校驗機制能夠保證紡機數據的可靠傳輸，而且網絡節點功耗極低。測試表明，MC13192 工作在停止、休眠、睡眠、空閑各模式時的工作電流依次為0.2 μA、1 μA、35 μA、200 μA。采用了低功耗的ZigBee 無線技術之后，車間節約了大量成本。 5 結論 本文利用Freescale 公司的8 位微處理器MC9S08GT60 和射頻模塊MC13192 在硬件上實現了網絡節點的設計。通過對協議包SMAC 進行分析，在原有協議框架的基礎上對其進行擴展，在軟件上實現了ZigBee 星形網絡的組建。該網絡實現了多個節點的自動入網、網間可靠通信等功能，并且成功應用于紡織車間線路改造的項目中。 參考文獻 [1] 瞿雷，劉盛德，胡咸斌. ZigBee 技術及應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007. [2] 黎連業，郭春芳，向東明.無線網絡及應用技術[M].北京：清華大學出版社，2004. [3] 方旭明，何蓉.短距離無線與移動通信網絡[M].北京：人民郵電出版社，2004. [4] Freescale.MC13192SARDUG.pdf. Rev.1.5,200507. [5] Freescale.SMACRM.pdf. Rev.1.2,200504. 作者： 天津工業大學 劉奇 尤一鳴 劉奇(碩士研究生)，主要研究方向為微機控制、工業自動化; 尤一鳴(教授)，主要研究方向為工業自動化。 來源：單片機與嵌入式系統應用 2008（11） |
