ZigBee無線網(wǎng)絡通信實訓系統(tǒng)

ZigBee無線網(wǎng)絡通信實訓系統(tǒng)是近幾年來國內(nèi)外研究的熱點,WSN引起了世界上許多國家軍界、學術界和工業(yè)界的高度重視,其應用前景十分廣闊。無線傳感器網(wǎng)絡是指由大量無處不在的,具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點密集分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)而構成的根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務的自治測控網(wǎng)絡系統(tǒng)。目前,在無線傳感器網(wǎng)絡中,短距離、低成本、低功耗的ZigBee技術是無線通信應用的首選技術之一。

1.ZigBee技術
ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術,主要用于自動控制和遠程控制領域。其可工作在2.14GHz,868MHz和915MHz三個頻段上,分別具有*高250kbi/s20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi),但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術,ZigBee具有如下特點
(1)低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發(fā)射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其他無線設備望塵莫及的。
(2)成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計很快就能教導1.5-2.5美元,并且ZigBee協(xié)議是免*費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵因素。
(3)時延短:通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延為30ms、休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術設用于對時延要求苛刻的無線控制應用。
(4)網(wǎng)絡容量大:一個星型結構的ZigBee網(wǎng)絡*多可以容納254個從設備和一個主設備,一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在*多100個ZigBee網(wǎng)絡,而且網(wǎng)絡組成靈活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙,避開可發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。
(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證,采用了AES-128的加密算法,各個應用可靈活確定其安全屬性。
2. ZigBee設備與網(wǎng)絡
ZigBee定義了兩種物理設備類型:全功能設備FFD(Full FunctionalDevice)和精簡功能設備RFD (Reduced Functional Device).其中FFD實現(xiàn)了全部功能,而RFD只是實現(xiàn)了部分功能。FFD設備之間以及FFD和RFD之間可以相互通信;但RFD只能和FFD設備通信,而不能與其它RFD設備通信, ZigBee規(guī)范根據(jù)設備所處的角色定義了三種邏輯設備類型ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBeeRouter)和ZigBee終端設(ZigBee End Device),通常協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點一般由FFD功能設備構成,終端設備由RFD設備組成。ZigBee協(xié)調(diào)器負責建立和維護網(wǎng)絡,在每個網(wǎng)絡中有且只有一個;ZigBee路由器是中繼節(jié)點,可以選路并轉發(fā)數(shù)據(jù);ZigBe。終端設備功能比較單一,往往只是發(fā)送和接收簡單信息。
ZigBee網(wǎng)絡根據(jù)應用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡,也可以組織成點對點網(wǎng)絡,如圖1所示。在星型網(wǎng)絡中,所有設備都與中心設備PAN網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電,而其他設備采用電池供電。與星型網(wǎng)絡不同,點對點網(wǎng)絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內(nèi),任何兩個設備之間都可以直接通信。點對點網(wǎng)絡也需要網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器,負責實現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息,認證設備身份等功能。

3.無線模塊硬件設計
這個系統(tǒng)主要由微處理器芯片和射頻芯片組成,如圖1所示。微處理器采用的是LPC2106,它是Philips公司開發(fā)的基于32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的低功耗ARM處理器。由于LPC2106非常小的尺寸和低功耗,它非常適合于那些小型化的應用, 多個UART、SPI到SSP和I2C總線組成的混合通信接口和片內(nèi)的SRAM一起作用,可使得LPC2106非常適合用來實現(xiàn)通信網(wǎng)關和協(xié)議轉換器以及強大處理功能。射頻芯片采用的是Chipcon公司的2.4CHz的無線收發(fā)芯片CC2420,CC2420具有完全集成的壓控振蕩器,只需要有天線、16MHz晶體等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段上工作。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接,通過這個接口完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務。

4、軟件設計
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設備上的軟件主要是由嵌入式操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應用程序組成的。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡單高效的任務調(diào)動、中斷處理和時間隊列管理等,還包括所有硬件的底層驅動。應用程序包括串口通信、射頻通信和信號強度檢測等。采用模塊化的設計協(xié)議棧,使得整個系統(tǒng)層次清楚,擴展性好,有利于ZigBee技術的二次開發(fā)。該協(xié)議棧在設計時主要劃分為3大部分:調(diào)度模塊、協(xié)議棧模塊和公共模塊。協(xié)議棧模塊符合ZigBee協(xié)議棧的分層結構,每層用一個模塊實現(xiàn);調(diào)度模塊負責根據(jù)任務調(diào)用合適的協(xié)議棧模塊;計時模塊和存儲模塊為每個協(xié)議棧模塊提供公共操作。此外,還有一個共享緩沖區(qū),用來存儲協(xié)議棧模塊和調(diào)度模塊交換的信息。
5小結
本文針對一種可應用于無線傳感器網(wǎng)絡的低速、低功耗、低成本的短距離無線通信ZigBee技術及其應用開展了研究和開發(fā)。設計了個基于低功耗ARM7系列微處理器的ZigBee無線通信模塊,由這些模塊組成的短距離無線傳感器網(wǎng)絡可以在一些多功能、處理性能要求高的無線傳感器網(wǎng)絡的應用場合中得到實際應用。

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