畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于zigbee無線無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要zigbee是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文介紹了基于ieee 802.15.4的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議zigbee的主要特征和應(yīng)用領(lǐng)域，并且根據(jù)其特點(diǎn)，利用單片機(jī)和chipcon公司的cc2420實(shí)現(xiàn)了基于zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：ieee 802.15.4 無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 zigbee cc2420 目錄 1.引言-4-2.zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介-5-3.zigbee技術(shù)特點(diǎn)-5-4.zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu).-7-5.zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-9-6.數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制-10-7.網(wǎng)絡(luò)配置-10- 8.芯片選擇-11-9.rf收發(fā)芯片cc242.-13- 10.配置寄存器實(shí)

2、際系統(tǒng)需要做的配置.-15-11.結(jié)論-16- 12.參考文獻(xiàn)-17-13.致謝-18-引言 zigbee技術(shù)并不是完全獨(dú)有的、全新的標(biāo)準(zhǔn)，它的物理層、mac層和數(shù)據(jù)鏈路層采用了ieee802154（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。基于zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)點(diǎn)多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場(chǎng)合，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領(lǐng)域已取得一席之地1。同時(shí)，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善2。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進(jìn)對(duì)硬件系統(tǒng)提出了更高的要求3。zigbe

3、e是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。zigbee協(xié)議的一些應(yīng)用包括建筑自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)、建筑安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程抄表以及pc外設(shè)。與其他無線協(xié)議相比，zigbee無線協(xié)議提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求，最重要的是它提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，并提供了三個(gè)工作頻帶，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全功能。 zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位

4、置等信息，這種肢體語言就是zigzag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式。借此意義zigbee作為新一代無線通訊技術(shù)的命名。在此之前zigbee也被稱為“homerf lite”、“rf- easylink”或“firefly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)稱為zigbee。 簡(jiǎn)單的說，zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于cdma和gsm網(wǎng)絡(luò)。zigbee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴(kuò)展。 zigbee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)

5、絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。 與移動(dòng)通信的cdma網(wǎng)或gsm網(wǎng)不同的是，zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡(jiǎn)單，使用方便，工作可靠，價(jià)格低的特點(diǎn)。而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè)zigbee“基站”卻不到1000元人民幣。每個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以作為監(jiān)控對(duì)象，例如其所連接的傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動(dòng)中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(ffd)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(rfd)無線連接。z

6、igbee技術(shù)特點(diǎn) zigbee技術(shù)主要用于無線個(gè)域網(wǎng)（wpan），是基于ieee802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的。ieee802.15.4定義了兩個(gè)底層，即物理層和媒體接入控制（media access control，mac）層；zigbee聯(lián)盟則在ieee 802.15.4的基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。zigbee聯(lián)盟成立于2001年8月，該聯(lián)盟由invensys、三菱、摩托羅拉、飛利浦等公司組成，如今已經(jīng)吸引了上百家芯片公司、無線設(shè)備公司和開發(fā)商的加入，其目標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)、家庭以及醫(yī)學(xué)等需要低功耗、低成本、對(duì)數(shù)據(jù)速率和qos（服務(wù)質(zhì)量）要求不高的無線通信應(yīng)用場(chǎng)合。zigbee這個(gè)名字來

7、源于蜂群的通信方式：蜜蜂之間通過跳zigzag形狀的舞蹈來交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。與其它無線通信協(xié)議相比，zigbee無線協(xié)議復(fù)雜性低、對(duì)資源要求少，主要有以下特點(diǎn)：(1)低功耗：這是zigbee的一個(gè)顯著特點(diǎn)。由于工作周期短、傳輸速率低，發(fā)射功率僅為lmw，以及采用了休眠機(jī)制，因此zigbee設(shè)備功耗很低，非常省電。據(jù)估算，zigbee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間，這是其它無線設(shè)備望塵莫及的。(2)低成本：協(xié)議簡(jiǎn)單且所需的存儲(chǔ)空間小，這極大降低了zigbee的成本，每塊芯片的價(jià)格僅2美元，而且zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于z

8、igbee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。(3)時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms，休眠激活的時(shí)延是15ms，活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。這樣一方面節(jié)省了能量消耗，另一方面更適用于對(duì)時(shí)延敏感的場(chǎng)合，例如一些應(yīng)用在工業(yè)上的傳感器就需要以毫秒的速度獲取信息，以及安裝在廚房?jī)?nèi)的煙霧探測(cè)器也需要在盡量短的時(shí)間內(nèi)獲取信息并傳輸給網(wǎng)絡(luò)控制者，從而阻止火災(zāi)的發(fā)生。(4)傳輸范圍?。涸诓皇褂霉β史糯笃鞯那疤嵯?，zigbee節(jié)點(diǎn)的有效傳輸范圍一般為10-75m，能覆蓋普通的家庭和辦公場(chǎng)所。(5)網(wǎng)絡(luò)容量大:根據(jù)zigbee協(xié)議的16位短地址定義，一個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容

9、納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，而且還可以通過64位的ieee地址進(jìn)行擴(kuò)展，因此zigbee網(wǎng)絡(luò)的容量是相當(dāng)大的。(6)數(shù)據(jù)傳輸速率低：2.4ghz頻段為250kb/s，915mhz頻段為40kb/s，868mhz頻段只有20kb/s。(7)可靠:采取了免沖撞機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。媒體接入控制子層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。 圖1(8)安全:zigbee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (advanced encryptio

10、n standard，aes)進(jìn)行加密，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu) zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)（圖2）是基于標(biāo)準(zhǔn)osi七層模型的，包括高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體接入層和物理層。圖2 zigbee 協(xié)議棧ieee802.15.4定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4ghz物理層和868/915mhz物理層。兩者均基于直接序列擴(kuò)頻（directsequencespread spectrum，dsss）技術(shù)。868mhz只有一個(gè)信道，傳輸速率為20kb/s；902mhz928mhz頻段有10個(gè)信道，信道間隔為2mhz，傳輸速率為40kb/s。以上這兩個(gè)頻段都采用bps

11、k調(diào)制。2.4ghz2.4835 ghz頻段有16個(gè)信道，信道間隔為5mhz，能夠提供250kb/s的傳輸速率，采用o-qpsk調(diào)制。為了提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，ieee 802.15.4定義的媒體接入控制（mac）層采用了csma-ca和時(shí)隙csma-ca信道接入方式和完全握手協(xié)議。應(yīng)用匯聚層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到zigbee網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。物理層物理層提供的服務(wù)是由硬件和軟件共同實(shí)現(xiàn)的，定義了物理無線信道(對(duì)于24ghz頻段，有16個(gè)信道，編號(hào)為11-26)和mac子層之間的接izl，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)(plde)和物理層管理服務(wù)(p

12、lme)。通過該接1：3可以喚醒層管理服務(wù)功能，同時(shí)也負(fù)責(zé)維護(hù)與物理層相關(guān)的一些管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)(pib)。物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(pdsap)和物理層管理實(shí)服務(wù)接入點(diǎn)fplmesap)與mac層通信，pdsap支持在對(duì)等的mac層實(shí)體間進(jìn)行mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送，plmesap則在mac層管理實(shí)體之間提供管理命令的傳送。物理層主要完成如下任務(wù)：1無線收發(fā)機(jī)的激活與關(guān)閉：2當(dāng)前信道的能量檢澳1(energy detect，ed)；3接受數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量標(biāo)識(shí)(lqi)；4為載波偵聽多路訪問沖突防_flz(csmsca)提供空閑信道評(píng)估(cca)：5工作信道選擇；6數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。信道能量

13、檢測(cè)為網(wǎng)絡(luò)層提供信道選擇依據(jù)，其值取值范圍是0x000xff。它主要測(cè)量目標(biāo)信道中接受信號(hào)的功率強(qiáng)度，鏈路質(zhì)量標(biāo)識(shí)為網(wǎng)絡(luò)層或應(yīng)用層提供接受數(shù)據(jù)幀無線信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量信息。mac層與物理層類似，mac層也包括管理實(shí)體(mlme)和數(shù)據(jù)實(shí)體(mlde)。mac層管理實(shí)體提供可以喚醒mac層管理服務(wù)的服務(wù)接口，同時(shí)也維護(hù)一個(gè)與mac層相關(guān)的管理對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)(mib)。mac層與物理層之間通過plmesap和pdsap進(jìn)行通信，通過mac數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)點(diǎn)(mldesap)和mac層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(mlmesap)向qlt務(wù)相關(guān)子層提供mac層數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。另外，mac層能支持多種llc標(biāo)準(zhǔn)，通過業(yè)務(wù)

14、相關(guān)會(huì)聚子層(sscs)協(xié)議承載8022類型的llc標(biāo)準(zhǔn)。mac層功能如下：1當(dāng)節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器時(shí)，產(chǎn)生信標(biāo)(beacon)幀；2在信標(biāo)幀之間進(jìn)行同步；3支持個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(pan)的關(guān)聯(lián)與解關(guān)聯(lián)；4支持節(jié)點(diǎn)安全機(jī)制；5對(duì)信道接入使用csmaca機(jī)制；6處理和維護(hù)有保證的時(shí)隙(gts)機(jī)制；7在兩個(gè)對(duì)等的mac實(shí)體問提供可靠的鏈接。zigbee中的mac和物理層協(xié)議是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基礎(chǔ)，高容錯(cuò)和低功耗的特點(diǎn)能保證網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)所必須考慮基于拓?fù)淇刂坪凸β士刂频木W(wǎng)絡(luò)白組特性。而且對(duì)于經(jīng)典的隱藏終端和暴露終端問題、協(xié)議的接入公平性問題、服務(wù)質(zhì)量問題等都有良好的解決。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，mac層的傳輸調(diào)度策略會(huì)影響

15、數(shù)據(jù)包延遲、帶寬等性能，影響網(wǎng)絡(luò)層路由性能，所以網(wǎng)絡(luò)層必須感知mac層性能的變化，才可以自適應(yīng)的方式改變路由，改善網(wǎng)絡(luò)性能。網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層對(duì)于zigbee協(xié)議棧非常重要，每一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)都包含網(wǎng)絡(luò)層，zigbee網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)，為新加入網(wǎng)絡(luò)訪分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護(hù)等。另外網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保zigbee的mac層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口，這種結(jié)構(gòu)使得網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用基本能夠?qū)崿F(xiàn)。為了向應(yīng)用層提供其接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個(gè)必須的功能服務(wù)實(shí)體，它們分別為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(nlde)和管理服務(wù)實(shí)體(nlme)。nlde通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(nlm

16、esap)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(nlme)通過網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)(nlmesap)提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且，網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庠(nibl的維護(hù)和管理。應(yīng)用層zigbee 應(yīng)用層由三個(gè)部分組成：應(yīng)用子層(aps)、zdo(包含zdo管理寸骨)和制造商定義的應(yīng)用對(duì)象(app obj)。aps通過蚓絡(luò)層和安全服務(wù)提供層與端點(diǎn)相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全午口綁定提供服務(wù)，可以適配不同但兼容的霄點(diǎn)，并且提供了這樣的接口：在nwk層和apl層之間，從zdo到供應(yīng)商的應(yīng)用對(duì)象的通用服務(wù)集。zigbee中的應(yīng)_|j框架(apl f

17、ramework)是為駐扎在zigbee節(jié)點(diǎn)巾的應(yīng)用對(duì)象提供活動(dòng)的環(huán)境。最多可以定義240個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο?zdo)，任何個(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)從l到240，端點(diǎn)號(hào)0固定用于zdo數(shù)據(jù)接口，應(yīng)用程序可以通過這個(gè)端點(diǎn)與zigbee怫議棧的其它層通信：另外一個(gè)端點(diǎn)255固定用于所有應(yīng)用對(duì)象廣播數(shù)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能。端點(diǎn)241254保留(給為了擴(kuò)展使片)，用戶不能使用1451。 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ieee802.15.4和zigbee協(xié)議中明確定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):星型結(jié)構(gòu)(star)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(mesh)和簇樹結(jié)構(gòu) (clustertrec)，如圖3 圖3.zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在星型網(wǎng)絡(luò)

18、結(jié)構(gòu)中，zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制，無其它路由節(jié)點(diǎn)，zigbee終端設(shè)備直接與zigbe。協(xié)調(diào)器通信，終端設(shè)備間的通信則需通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。這是最簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通信范圍十分有限，單獨(dú)使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況很少。在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和簇樹型網(wǎng)絡(luò)中，zigbee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和初始參數(shù)設(shè)定，網(wǎng)絡(luò)都可以通過zigbee路由器進(jìn)行擴(kuò)展。但是，在簇樹型網(wǎng)絡(luò)中，路由器采用分級(jí)路由策略傳送數(shù)據(jù)和控制信息，并且通常是基于信標(biāo)(beacon)的通信模式。而在網(wǎng)狀網(wǎng)中則是完全對(duì)等的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，路由器不會(huì)定期發(fā)送信標(biāo)，僅在網(wǎng)內(nèi)設(shè)備要求時(shí)對(duì)其單播信標(biāo)。對(duì)于簇樹型網(wǎng)絡(luò)，其通信路由相對(duì)單一，骨干網(wǎng)絡(luò)中一旦有路由

19、節(jié)點(diǎn)癱瘓，則相應(yīng)區(qū)域就進(jìn)入通信癱瘓狀態(tài)，要等待該部分網(wǎng)絡(luò)重組后，才能恢復(fù)通信。但是，簇樹型網(wǎng)定期發(fā)送信標(biāo)，使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)能做到很好的同步，便于節(jié)點(diǎn)定期進(jìn)入休眠狀態(tài)，降低功耗，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命。在網(wǎng)狀網(wǎng)中情況則恰好相反，完全的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信使路由有多種選擇，提高了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，但是不定期發(fā)送信標(biāo)使網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)很難達(dá)到同步，必須采取別的手段來實(shí)現(xiàn)，如廣播。因此，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與簇樹結(jié)構(gòu)的層次融合，必定是zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一個(gè)發(fā)展方向。 數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制傳輸數(shù)據(jù)到終端設(shè)備和從終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的確切機(jī)制隨網(wǎng)絡(luò)類型的不同而有所不同。在無信標(biāo)的星型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)終端設(shè)備想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它只需等待信道變?yōu)榭臻e。在檢測(cè)到空閑信

20、道條件時(shí)，它將幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器。如果協(xié)調(diào)器想要將此數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設(shè)備，它會(huì)將數(shù)據(jù)幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標(biāo)終端設(shè)備明確地來查詢?cè)摂?shù)據(jù)為止。此方法確保終端設(shè)備的接收器是被開啟的，而且可從協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。 在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須一直保持它們的接收器為開啟狀態(tài)或者同意在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)開啟它們的接收器。這將允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)接收。 網(wǎng)絡(luò)配置zigbee無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。 星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備）和一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)了一組很多zigbee服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（ffd）。終端設(shè)備可能是ffd或簡(jiǎn)化功能設(shè)備（rfd）

21、。rfd是最小而且最簡(jiǎn)單的zigbee節(jié)點(diǎn)。它只實(shí)現(xiàn)了一組最小的zigbee服務(wù)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。 群集網(wǎng)絡(luò)配置也是zigbee使用的一種網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)。在群集網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備既可以選擇和協(xié)調(diào)器通信，也可以和路由器（router）通信。路由器有兩個(gè)功能：一是增加網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，二是擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的物理范圍。有了路由器后，終端設(shè)備就不必安裝在協(xié)調(diào)器的有效射頻范圍內(nèi)。和任何網(wǎng)絡(luò)一樣，zigbee網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)對(duì)通信介質(zhì)的訪問是同

22、等的。有兩種類型的多點(diǎn)接入機(jī)制。在沒有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只有信道是空閑的，在任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會(huì)定期以一個(gè)標(biāo)知為信標(biāo)幀的超級(jí)幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)與此幀同步。在這個(gè)超級(jí)幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級(jí)幀可能還含有一個(gè)公共時(shí)隙，在此時(shí)隙內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道。芯片選擇cc2420是chipcon as公司推出的首款符合2.4ghz ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于zigbee產(chǎn)品的rf器件。它基于chipcon公司的sm

23、artrf 03技術(shù)，以0.18um cmos工藝制成 只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。cc2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 cc2420的主要性能參數(shù)如下 ： 工作頻帶范圍：2.4002.4835ghz； 采用ieee802.15.4規(guī)范要求的直接序列擴(kuò)頻方式； 數(shù)據(jù)速率達(dá)250kbps碼片速率達(dá)2mchip/s； 采用o-qpsk調(diào)制方式； 超低電流消耗（rx:19.7ma,tx:17.4ma）高接收靈敏度（-99dbm）

24、； 抗鄰頻道干擾能力強(qiáng)(39db)； 內(nèi)部集成有vco、lna、pa以及電源整流器采用低電壓供電(2.13.6v)； 輸出功率編程可控； ieee802.15.4 mac層硬件可支持自動(dòng)幀格式生成、同步插入與檢測(cè)、16bit crc校驗(yàn)、電源檢測(cè)、完全自動(dòng)mac層安全保護(hù)(ctr,cbcmac,ccm)； 與控制微處理器的接口配置容易(4總線spi接口)； 開發(fā)工具齊全提供有開發(fā)套件和演示套件； 采用qlp-48封裝，外形尺寸只有77mm。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)cc2420芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器和i/q下變頻處理后，中頻信號(hào)只有2 mhz,此混合i/o信號(hào)經(jīng)過濾波、放

25、大、ad變換、自動(dòng)增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。 發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中,頭幀和起始幀是通過硬件自動(dòng)產(chǎn)生的。根據(jù)ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn),所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到da變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號(hào)最終被調(diào)制到2.4 ghz，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。圖4.cc2420芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖5.cc2420射頻模塊優(yōu)勢(shì)利用此芯片開發(fā)的短距離射頻傳輸系統(tǒng)成本低、功耗小,適于電池長(zhǎng)期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點(diǎn)，為家庭自動(dòng)控制、工業(yè)監(jiān)控、傳感網(wǎng)絡(luò)、消

26、費(fèi)電子、智能玩具等提供了理想的解決方案。 rf收發(fā)芯片cc2420cc2420是chipcon公司推出的首款符合2.4ghzieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是第一款適用于zigbee產(chǎn)品的rf器件。它基于chipcon公司的smartrf03技術(shù)，以0.18um cmos工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。cc2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。 cc2420只需要極少的外圍元器件,其典型應(yīng)用電路如圖6所

27、示。 圖6. cc2420典型應(yīng)用電路 它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。射頻輸入輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入輸出阻抗,使其輸入輸出阻抗為,同時(shí)為芯片內(nèi)部的pa及l(fā)an提供直流偏置。cc2420可以通過線spi總線（si、so、sclk、csn）設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀寫緩存數(shù)據(jù)，讀寫狀態(tài)寄存器等。通過控制fifo和fifop管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射接收緩存器。注意：在spi總線接口上進(jìn)行的地址

28、和數(shù)據(jù)傳輸大多是msb優(yōu)先的。cc2420片內(nèi)有個(gè)比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每個(gè)寄存器的讀寫周期中，si總線上共有比特?cái)?shù)據(jù)，分別為：比特ram寄存器選擇位（：寄存器,：ram），比特讀寫控制位（：寫,：讀），比特地址選擇位、比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中csn必須始終保持低電平。另外，通過cca管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過sfd管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。p;如前所述，cc2420是一款符合ieee802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的rf收發(fā)芯片。cc2420硬件支持一部分ieee802.15.4數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀格式示

29、如圖7所示。 圖7.數(shù)據(jù)幀格式同步頭包括前導(dǎo)序列和開始幀分隔符。在cc2420中,前導(dǎo)序列長(zhǎng)度和開始幀分隔符是可以配置的。默認(rèn)值4字節(jié)和1字節(jié)是符合ieee802.15.4協(xié)議的。物理頭為1字節(jié)，幀控制和序列號(hào)分別為2字節(jié)和1字節(jié)，地址包括個(gè)人區(qū)域網(wǎng)身份識(shí)別號(hào)碼、目的地址和源地址共6字節(jié)，待發(fā)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為幀長(zhǎng)度減去地址和幀校驗(yàn)序列。當(dāng)modemctrl0.autocrc控制位置位時(shí)，這個(gè)幀校驗(yàn)序列自動(dòng)產(chǎn)生2字節(jié)，并由cc2420硬件自動(dòng)插入。配置寄存器實(shí)際系統(tǒng)需要做的配置（1）cc2420 內(nèi)部寄存器的設(shè)置：cc2420內(nèi)部有33個(gè)16位結(jié)構(gòu)寄存器和15個(gè)命令脈沖寄存器以及2個(gè)8位訪問獨(dú)立的發(fā)

30、射和接收緩沖器的rxfifo、txfifo寄存器。這些寄存器在芯片復(fù)位時(shí)都已設(shè)置了一些初始值。例如：mdmctrl0.autocrc自動(dòng)循環(huán)冗余校驗(yàn)；iocfg0.fifop_thr設(shè)置rxfifo緩沖器中字節(jié)門限值；battmon.battmon_e電池監(jiān)控使能；txctrl.pa_level輸出功率編程(輸出功率單位為dbm)；in0.xosc16m_bypass使能外部晶體振蕩器等。實(shí)際使用時(shí),應(yīng)根據(jù)需要對(duì)初始值進(jìn)行修改。 （2）初始化：定義信息包傳輸?shù)幕靖袷?；定義單片機(jī)和cc2420的端口；打開電壓調(diào)節(jié)器，復(fù)位cc2420，開啟晶體振蕩器，寫入所有必須的寄存器和地址識(shí)別(為自動(dòng)地址識(shí)

31、別準(zhǔn)備)，注意晶體振蕩器應(yīng)該一直處于工作狀態(tài)。寄存器設(shè)置如下：sxoscon打開晶體振蕩器；mdmctrl0=0x0af2打開自動(dòng)應(yīng)答；mdmctrl1=0x0500；設(shè)置關(guān)聯(lián)門限值為20；iocfg0=0x007f設(shè)置fifop門限至最大值128；secctrl0=0x01c4關(guān)閉安全使能。 （3）緩沖發(fā)送模式：使用ieee802.15.4媒介訪問控制層數(shù)字格式和短地址發(fā)送一個(gè)信息包。使能發(fā)送，當(dāng)信道評(píng)估顯示信道空閑時(shí)，使能校準(zhǔn)然后發(fā)送；當(dāng)沒有字節(jié)寫入，txfifo緩沖器發(fā)出下溢指示狀態(tài)位和下溢脈沖，發(fā)送自動(dòng)停止。ctrl1.tx_mode=0；stxon使能發(fā)送；stxoncca信道估計(jì)顯

32、示信道空閑，使能校準(zhǔn)然后發(fā)送；sflushtx當(dāng)沒有字節(jié)寫入，txfifo緩沖器發(fā)出下溢脈沖；txctl=0xa0ff發(fā)射最大電流為1.72ma。 （4）緩沖接收模式：先使能信息包接收和fifop中斷，通過fifop中斷服務(wù)程序接收信息包，其中rxfifo緩沖器溢出和不合法信息包格式都有中斷服務(wù)程序處理，信息包接收采用cc2420自動(dòng)應(yīng)答。寄存器設(shè)置如下：dmctrl1.rx_mode=0；srxon使能接收；sflushrxrxfifo緩沖器溢出，復(fù)位解調(diào)器；rxctrl0=0x12e5低噪聲放大器增益中等。 結(jié)論 本文介紹了zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求、性能特點(diǎn)與構(gòu)建框架和較為詳盡的設(shè)計(jì)過程;給出了外圍電路的設(shè)計(jì)以及實(shí)際設(shè)計(jì)出的實(shí)物和元器件參數(shù)。另筆者在實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議的性能是制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。另外，制作電路板時(shí)，應(yīng)采用四層