組建SMAC協(xié)議構架的ZigBee星形網(wǎng)絡 - 全文

在Freescale公司SMAC協(xié)議構架的基礎上提出一種組建ZigBee星形網(wǎng)絡的有效方法。本文給出了網(wǎng)絡節(jié)點的硬件構成，詳細分析了網(wǎng)絡組建的軟件設計思想；并將該無線網(wǎng)絡應用于某紡織車間線路改造的項目中，解決了原車間布局下的多臺設備之間不易走線的問題，大大降低了成本。

　　引言

　　ZigBee技術是最近發(fā)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(yè)界認為是最有可能應用在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域的無線技術。目前市場上已經(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）的價格卻比較昂貴，單獨的ZigBee模塊又不具有組網(wǎng)通信、節(jié)點自主加入的功能，這在很大程度上限制了ZigBee產(chǎn)品應用的靈活性和廣泛性。本文在Freescale公司的SMAC協(xié)議包的軟件構架的基礎上，采用MC13192 RF收發(fā)器成功組建了一個ZigBee星形網(wǎng)絡。在該網(wǎng)絡中，多個通信節(jié)點能夠自由入網(wǎng)，在網(wǎng)絡中實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的可靠傳輸。并且各個節(jié)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(wǎng)通信。

　　1? 星形網(wǎng)絡的結(jié)構體系

?

?

　　星形網(wǎng)絡結(jié)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(xié)調(diào)器）通信，終端設備之間的通信通過PAN協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)。網(wǎng)絡終端設備要么是數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠瘘c，要么是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K點。

　　網(wǎng)絡中必須有一個PAN協(xié)調(diào)器，它在網(wǎng)絡建立之前先對網(wǎng)絡的各個屬性初始化并建立協(xié)調(diào)器的描述符表，然后等待終端設備入網(wǎng)。星形網(wǎng)絡由于沒有路由器，最多只能允許255個終端設備加入網(wǎng)絡。終端設備進行數(shù)據(jù)發(fā)送時，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備列表，判斷該終端設備是否已在網(wǎng)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(jīng)處在網(wǎng)絡中，然后PAN協(xié)調(diào)器對數(shù)據(jù)包進行分析。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備進行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。在星形網(wǎng)絡中，PAN協(xié)調(diào)器使用不間斷電源（UPS）供電，而其他設備采用電池供電。

　　2? 網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計

　　不論是協(xié)調(diào)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(jù)不同環(huán)境需要稍作改動。在工作模式下，網(wǎng)絡節(jié)點的傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收/發(fā)時間極短；而在非工作模式時，網(wǎng)絡節(jié)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(wǎng)絡節(jié)點功耗極低，非常省電。圖2為硬件設計的基本框圖。

?

　　2.1? 中央處理單元

　　MCU選用Freescale公司的8位微控制器MC9S08GT60，內(nèi)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(xié)議棧。10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊用于對傳感器信號的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)器，它內(nèi)部包含了完整的IEEE 802.15.4標準的物理層（PHY）調(diào)制解調(diào)器，用于支持IEEE 802.15.4標準所規(guī)定的點對點、星狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信。通信中，該收發(fā)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(guī)定的-85? dBm。

　　2.3? MCU與射頻模塊的接口

　　MC13192的控制和數(shù)據(jù)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(fā)器，通過RXTXEN來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，或者強制收發(fā)器進入空閑模式。接口示意圖如圖3所示。

?

　　3? 網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計

　　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)品隨機附帶的軟件協(xié)議包，用于簡單的個人無線連接。SMAC協(xié)議包源程序是C語言，該協(xié)議包可以應用在基于MC13192集成電路的RF收發(fā)器中。協(xié)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(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(xié)議包的基礎上弄明白收發(fā)器各個工作狀態(tài)的基本特征，以及各個工作狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換機制。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)用相應功能服務函數(shù)進行組合。整個SMAC協(xié)議構架采用狀態(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)器對接收到數(shù)據(jù)的有效信息的相應字段進行判斷之后，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)絡層的，也就是說該協(xié)議包中不具有組網(wǎng)通信、節(jié)點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)器組建一個有效的無線傳感器網(wǎng)絡，并且能夠與其他的ZigBee產(chǎn)品相兼容，軟件設計必須嚴格遵守IEEE 802.15.4協(xié)議，在SMAC協(xié)議包構架的基礎上進一步對協(xié)議進行擴展。本文成功實現(xiàn)了非超幀結(jié)構的星形網(wǎng)絡，具體軟件流程如圖4所示。

?

　　3.3? 組網(wǎng)的基本過程

　　PAN協(xié)調(diào)器選定創(chuàng)建網(wǎng)絡的信道后，首先要初始化網(wǎng)絡的各種屬性，建立協(xié)調(diào)器的PAN信息數(shù)據(jù)庫，分配網(wǎng)絡ID號和16位的網(wǎng)絡短地址，設定允許設備入網(wǎng)機制并初始化設備近鄰表，然后進入接收模式等待其他節(jié)點加入。網(wǎng)絡節(jié)點上電后，也要初始化內(nèi)部資源并建立其自身節(jié)點的PAN信息數(shù)據(jù)庫之后，發(fā)送掃描信號進而準備通過MAC層關聯(lián)過程加入網(wǎng)絡。

　　網(wǎng)絡節(jié)點先以廣播方式發(fā)送一個掃描信號，查看當前信道是否存在PAN。協(xié)調(diào)器收到廣播信號后會發(fā)送一個確認幀。網(wǎng)絡節(jié)點若沒有收到確認幀就代表當前信道還沒有協(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)點后直接將其加入網(wǎng)絡；若收到確認幀，即存在PAN，該節(jié)點就可以嘗試加入網(wǎng)絡。網(wǎng)絡節(jié)點首先向PAN協(xié)調(diào)器發(fā)送信標請求命令，收到協(xié)調(diào)器的信標幀后，根據(jù)信標幀更新自身節(jié)點的信息數(shù)據(jù)庫中的PAN標識等相關屬性，并判斷當前PAN協(xié)調(diào)器是否未飽和以及是否允許設備入網(wǎng)。若協(xié)調(diào)器允許設備入網(wǎng)，網(wǎng)絡節(jié)點就要向協(xié)調(diào)器發(fā)送關聯(lián)請求命令，嘗試通過關聯(lián)方式加入網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器收到后把該節(jié)點信息（如64位擴展地址等）寫入設備近鄰表并向該節(jié)點分配16位的網(wǎng)絡短地址。該節(jié)點收到協(xié)調(diào)器的關聯(lián)響應命令后，把短地址寫入其數(shù)據(jù)信息庫，即成功入網(wǎng)。然后網(wǎng)絡節(jié)點按照功能設定使用此短地址向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。網(wǎng)絡節(jié)點一般為電池供電，在空閑狀態(tài)時就會進入休眠節(jié)能狀態(tài)。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(jù)不同需求對軟件進行相應修改。

　　3.4? 調(diào)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?？臻e模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各個模式間轉(zhuǎn)換的起點必須是空閑模式，從該模式起才能轉(zhuǎn)化到其他主動模式。

　　MC13192發(fā)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(fā)生。然而IRQ的中斷優(yōu)先級在MCU中僅次于復位信號，比計數(shù)器中斷、鍵盤中斷等優(yōu)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?，F(xiàn)在工廠要對車間實行統(tǒng)一控制，需要在每臺紡機上安裝.，把紡機數(shù)據(jù)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(tài)、車速、打緯次數(shù)、加時產(chǎn)量等信息，進而控制整個車間的運行狀態(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)絡進行控制，由于車間各臺紡機布線通道已經(jīng)固定，且車間的空間較小，這些因素給車間的線路設計造成了不便，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(xié)調(diào)器，而每臺紡機的.相當于終端設備。網(wǎng)絡中只有這兩種角色，不需要增加PAN協(xié)調(diào)器。每臺紡機每0.5 s上傳一次數(shù)據(jù)，而且最遠的紡機距離區(qū)域控制器也在80 m之內(nèi)，這些因素ZigBee星形網(wǎng)絡都能夠滿足。網(wǎng)絡中的應答機制和數(shù)據(jù)校驗機制能夠保證紡機數(shù)據(jù)的可靠傳輸，而且網(wǎng)絡節(jié)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(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在硬件上實現(xiàn)了網(wǎng)絡節(jié)點的設計。通過對協(xié)議包SMAC進行分析，在原有協(xié)議框架的基礎上對其進行擴展，在軟件上實現(xiàn)了ZigBee星形網(wǎng)絡的組建。該網(wǎng)絡實現(xiàn)了多個節(jié)點的自動入網(wǎng)、網(wǎng)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。

?