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1、基于EM250的ZigBee无线传感器网络解决方案shixi导语：本文介绍了ZigBee的协议框架、各层的功能及ZigBee无线网络的组成，阐述了基于Ember公司EM250片上系统的无线传感器网络解决方案，对系统的硬软件组成及设计进展了仔细的讲明。ZigBee协议框架ZigBee协议是一种低本钱、低功耗、低速率嵌入式设备相互间及与外界网络通讯的组网解决方案，它是ZigBee联盟基于IEEE802.15.4技术标准物理层和媒体访问控制层MAC层协议对网络层协议和API进展标准化而制定的无线局域网组网、平安和应用软件方面的技术标准。ZigBee协议栈构造如图1所示。ZigBee协议物理层和媒体访
2、问控制层采用了IEEE802.15.42003协议标准。物理层无线频段为全球通用的2.4GHz、欧洲适用的868MHz、美国适用的915MHz，使用直接序列扩频技术，提供27个信道，20Kb/s、40Kb/s、250Kb/s三种数据速率用于数据收发。物理层功能包括了激活和休眠射频收发器、信道能量检测、信道接收数据包的链路质量指示、空闲信道评估、收发数据等。ZigBee的MAC层负责设备间无线数据链路的建立、维护和完毕，确认形式的数据传送和接收，采用载波侦听多址/冲突防止接入方式，数据包的最大长度为127字节，每个数据包均由头字节和16位CRC校验值组成。网络层为ZigBee协议栈的核心局部，实
3、现节点接入或者分开网络、路由查找及传送数据等功能，支持星形、树形、网络三种拓扑构造，网络拓扑构造根据详细的ZigBee应用来选择。节点按功能分为全功能设备FFD、简化功能设备RFD、协调器ZCRD和路由器，协调器与路由器通常也是全功能设备。ZigBee的应用层包括了应用支持子层APS、ZigBee设备对象ZDO和制造商制订的应用对象。应用支持子层负责维护绑定表，根据效劳和需求在两个绑定实体间传递信息。ZDO负责定义设备节点在网络中的角色，并负责网络设备的发现，决定提供何种应用效劳，还负责初始化或者响应绑定恳求及建立网络设备间平安关系。ZigBee网络采用多点接入，有使能信标网络或者不使能信标网
4、络两种类型。使能信标的网络中，协调器在预定义的时隙周期性发送信标帧用于节点关联、参加网络、同步传送数据。在不使能信标的网络中，协调器也周期性发送信号，但这只用于终端设备并检测协调器的存在，设备要随时预备好进展点对点通讯，通过发送数据恳求和应答进展通讯。ZigBee支持两种类型的数据格式：KVP关键值对及MSG消息帧。一般KVP帧采用命令响应机制，用于传输一个简单的属性变量值；而MSG帧还没有一个详细格式上的规定，通常用于多信息，复杂信息的传输，其支持二进制数据传输，数据大小受支持的帧大小限制。在平安方面，ZigBee采用IEEE802.15.4媒体访问控制子层的平安模型，其标准了四个方面的平安
5、效劳，即访问控制、数据加密、帧完好性检查及采用顺序更新值防止帧重放。ZigBee单芯片方案EM250EM250是Ember公司推出的ZigBee片上系统，它集成了一个符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz射频收发器和一个功能强大的高速率16位微处理器，支持网络级的调试，系统的软件开发简便。微处理器主频为12MHz，知足作为协调器、全功能设备或者简化功能设备的要求。EM250可以进入三种不同的状态：工作状态、待机状态和深度睡眠状态。在工作状态时可执行程序代码，典型情况电流为8.5mA。在待机状态，处理器不再工作，但允许中断唤醒，外围器件及射频收发器正常工作。在深度睡眠状态，处理器和射频收
6、发器都不再工作，直至有外部中断或者定时中断唤醒，典型情况电流仅为1.5A。深度睡眠状态不适用于全功能设备，但对于简化功能设备节省耗电而言，那么必不可少。EM250具有4路模路转换，两路可用作数据转换单元的模拟信号捕捉。数字中断可在睡眠或者待机状态接收一位的数字数据。其通用同步和异步串行接收器及转发器模块可配置成为通用异步接收器/发送器或者串行外围接口SPI及I2C总线接口。EM250集成的射频收发器支持四种功率工作形式，即爆发形式、高功率形式、正常形式和最小功率形式，可根据设备类型及相邻节点间隔，利用功率治理来公道设置工作形式。硬件组成及设计EM250集成了MCU、射频收发器、内存以及通讯端口
7、，只需要极少的外围元器件就可构成ZigBee网络节点硬件，以作为全功能设备、简化功能设备以及协调器。参考设计功能模块见图2。外围元器件包括：射频不平衡到平衡转换器RFBALUN50/200、谐波滤波、晶振与负载电容构成的振荡器、电源去耦电容电路、电源板阻容滤波、上拉和下拉电阻、异步复位信号的阻容滤波、谐波滤波的输出端外接的50非平衡天线等。网络节点采用Future技术设备公司USB转UART芯片FT232R作为与PC通讯接口。FT232R无须编程即可完成USB协议到RS232串口通讯协议的转换，FT232R驱动可以支持在以PC端建立起虚拟通讯端口VPC，VPC驱动将完成USB信号与RS232信
8、号的自动转换。系统的电源可由33.3V直流源提供或者由USB接口5V电源经FT232R转换为3.3V电源提供，33.3V直流源可以是电池或者AC/DC变换器。两种电源可由跳线来进展选择。系统的软件设计一个ZigBee只能有唯一的协调器，其主要功能是初始化及维护整个ZigBee网络，其维护着所有直接连接的节点及未直接连接但允许参加网络的节点的表，参加到此ZigBee网络的设备必须得到协调器的批准。协调器需要不连续地监听其他节点参加或者退出网络恳求及消息，在不发送消息时就需进入接收状态，因此协调器不能进入“睡眠形式。典型的协调器软件功能模块设计见图3。ZigBee网络中的路由器为全功能设备，它完成
9、各个全功能设备、简化功能设备、协调器等节点间数据的路由，是构建网络构造ZigBee网络所必须的，同协调器一样，全功能设备也维护着网络中节点的相关信息表，且由于它必须连续不断的监听路由消息，所以也不可进入“睡眠形式。全功能设备的软件功能模块设计见图4。简化功能设备是ZigBee网络的终端设备，它可以同协调器和路由器进展通讯，但不能作为中间路由器，RFD可以进入睡眠形式，以减少功率消耗，大大延长电源使用时间。在简化功能设备进入睡眠形式时，相邻的协调器或者路由器会缓存发送它的相关数据。在退出睡眠形式时，它会向相邻的协调器或者路由器询问是否有发送到它的数据，相邻的协调器或者路由器那么返回是否有其数据包的响应。简化功能设备在处理完发送到它的数据后，可重新进入睡眠形式。简化功能设备的软件功能模块设计见图5。各节点的治理可采用超级终端拨号到相连的单个节点或者用统一的集中网络治理界面来完成。集中网络治理界面安装于与协调器相连接的PC，用于用户同ZigBee网络进展交互，主要功能有网络拓扑显示、节点状态显示、节点数据、告警信息、网络日志等。ZigBee无线传感器网络具有广泛的应用前景，已越来越得到业界的重视并逐步开场广泛应用。基于EM250实现的ZigBee无线传感器网络具有实现简易、方便，同时利用Ember的InSight集成开发环境，可快速地进展系统的开发、调试、编译，具有很强的实际应用价值。