LM3S9B96與CC2520平臺上的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用

摘要：ZigBee技術(shù)是基于IEEE802．15．4的一種新興的短距離、低功耗、低成本和低速率的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理載體，如何實(shí)現(xiàn)眾多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的智能化接入成為關(guān)鍵問題之一。本文提出了LM3S9B96+CC2520平臺上無線通信節(jié)點(diǎn)的智能化設(shè)計(jì)，分析了ZigBee無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；LM3S9B96；CC2520；CC2530

引言
基于IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee短距離低速無線個(gè)域網(wǎng)(LR-WPAN)協(xié)議將低速率、低功耗、低成本作為主要研究目標(biāo)，是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐協(xié)議之一。針對ZigBee無線短距離低功耗解決方案，雖然目前已經(jīng)有好幾家大半導(dǎo)體公司設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了相應(yīng)的無線芯片并提供了對應(yīng)的支持協(xié)議棧，但是目前的ZigBee網(wǎng)絡(luò)多是采用性能較低、存儲容量較小的8／16位微控制器來實(shí)現(xiàn)的。然而，ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的中心控制節(jié)點(diǎn)往往要分析、處理網(wǎng)絡(luò)中通信的大量數(shù)據(jù)，在一些對實(shí)時(shí)及高效率有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場合，有必要采用高性能的微處理器作為節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理單元。TI公司Stellaris MCU內(nèi)部擁有一個(gè)32位ARM Cortex-M3處理器核，ARM Cortex-M3核具有高速的處理速度且支持芯片廠商自己擴(kuò)展豐富的外設(shè)，比如網(wǎng)口、USB口、LCD等。同時(shí)，Stellaris系列微控制器包含了100多種可以向全球供貨的32位ARM核的MCU。本文選用基于32位ARM Cottex-M3核的微控制器LM3S9B96作為無線芯片CC2520的微控制器單元構(gòu)成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，另將8051核的SoC CC2530芯片模塊作為終端采集節(jié)點(diǎn)。通過配置節(jié)點(diǎn)設(shè)備環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了ZigBee協(xié)議下的終端數(shù)據(jù)采集及星型、樹型下的無線組網(wǎng)通信功能，驗(yàn)證了不同規(guī)格的ZigBee無線模塊在同一協(xié)議棧環(huán)境下能夠正常組網(wǎng)通信，廠商提供的不同ZigBee設(shè)備可進(jìn)行互操作。

1 ZigBee應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)
本平臺采用ZigBee標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，其具體應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，硬件實(shí)體層主要由處理器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，區(qū)別于協(xié)調(diào)器或路由器的全功能設(shè)備，作為精簡功能設(shè)備的終端節(jié)點(diǎn)一般還需再配上傳感器硬件模塊以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；OSAL軟件功能模塊作為TIZ-Stack協(xié)議棧中的操作系統(tǒng)抽象層，統(tǒng)一管理協(xié)議棧的運(yùn)行以及各種任務(wù)事件的響應(yīng)；ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行于OSAL抽象系統(tǒng)之上，該協(xié)議棧是由層來量化表示其整個(gè)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的，每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口及服務(wù)；ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY)層、媒體訪問控制(MAC)層、ZigBee網(wǎng)絡(luò)(NWK)層以及應(yīng)用(APL)層構(gòu)成，其中物理層與媒體訪問控制層協(xié)議為IEEE 802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，而應(yīng)用層的應(yīng)用則根據(jù)用戶自己的應(yīng)用需求進(jìn)行開發(fā)利用。

在應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，考慮到LM3S9B96的優(yōu)良特性以及作為協(xié)調(diào)器對硬件節(jié)點(diǎn)的高性能要求，用該開發(fā)板來控制CC2520無線傳輸模塊，并把LM3S9B96+CC2520作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，這也是TI公司提供的新的32位無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)方案。同時(shí)，將集成了一個(gè)8051核及射頻電路的CC2530無線模塊作為路由和終端節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)的傳感器則采用E18-D80NKDC-5V反射式接近開關(guān)傳感器，以此構(gòu)成ZigBee無線組網(wǎng)的硬件平臺。在ZigBee協(xié)議棧選擇方面，CC2520及CC2530使用的是TI公司設(shè)計(jì)的符合ZigBee2007／PRO標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack是最新功能的協(xié)議棧產(chǎn)品，在互操作性、節(jié)點(diǎn)密度管理、數(shù)據(jù)負(fù)荷管理、頻率捷變等方面有重大進(jìn)步，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和低功耗等特點(diǎn)。在應(yīng)用程序模塊中，通過E18-D80NKDC-5V反射式接近開關(guān)傳感器進(jìn)行障礙物檢測，利用CC2530終端節(jié)點(diǎn)與LM3S9B96協(xié)調(diào)器進(jìn)行ZigBee星型網(wǎng)通信，構(gòu)建了智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)
2．1 硬件模塊介紹
TI公司的CC2520、CC2530芯片是符合ZigBee技術(shù)的具有高集成度的無線射頻收發(fā)器件，CC2520和CC2530芯片的PHY與MAC層協(xié)議符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，模塊可工作在2 394～2 507 MHz的2．4 GHz ISM免費(fèi)頻段。該頻段可提供16個(gè)物理通信信道，工作速率可達(dá)到250 kbps，碼片速率為2 Mchip／s。CC2520和CC2530無線芯片均是有著低功耗的特點(diǎn)，在接收數(shù)據(jù)幀時(shí)電流消耗僅為18．5 mA，其輸出功率編程可控，最大輸出功率可達(dá)5 dBm，此時(shí)電流消耗33．6 mA，支持IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee協(xié)議。芯片的RF電路部分還提供豐富的硬件功能支持，如封包處理、數(shù)據(jù)緩沖、爆發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和封包時(shí)間信息，可大幅減輕主機(jī)控制器的作業(yè)負(fù)荷。
TI公司LM3S9B96微控制器內(nèi)含DMA、數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)和模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等功能模塊且提供以太網(wǎng)、CAN及USB口通信，又兼具高性能及超低功耗的特點(diǎn)，能為ZigBee應(yīng)用提供良好的硬件支持。無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．2 無線通信節(jié)點(diǎn)平臺分析
通過了解IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)、ZigBee規(guī)范，并在此理論基礎(chǔ)上研究TI公司的標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，對其底層驅(qū)動(dòng)、協(xié)議棧的初始化以及事件機(jī)制進(jìn)行了研究與分析。LM3S9B96+CC2520節(jié)點(diǎn)作為當(dāng)前較新的ZigBee節(jié)點(diǎn)平臺，基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，采用功能模塊化設(shè)計(jì)。