熊俊俏，馮進(jìn)維，羅 帆

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，武漢 430074)

0 引 言

ZigBee技術(shù)是HomeRF的一個(gè)分支，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，同時(shí)又是一組基于IEEE 802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù),經(jīng)過(guò)幾年的理論研究[1],目前已經(jīng)轉(zhuǎn)向大規(guī)模應(yīng)用階段,涌現(xiàn)出覆蓋不同頻段和功能結(jié)構(gòu)的模塊[2-5],通過(guò)嵌入各種設(shè)備中，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、家庭以及醫(yī)學(xué)等低功耗、低成本的無(wú)線通信應(yīng)用場(chǎng)合,具有廣闊的應(yīng)用前景.JN5139是Jennic公司推出的低功耗、低成本、適合于IEEE802.15.4 和ZigBee應(yīng)用的無(wú)線微控制器，集成了32位RISC處理器和全兼容的2.4GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用提供了更好的選擇[6].

1 ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與JN5139控制器

1.1 ZigBee與無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

Zigbee網(wǎng)絡(luò)包括設(shè)備類(lèi)型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和路由方式.根據(jù)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備(End-Device)三種邏輯設(shè)備，ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成，其中網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)配置，路由器根據(jù)Zigbee協(xié)議算法決定數(shù)據(jù)的路由，允許其它設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò).終端設(shè)備負(fù)責(zé)信息的發(fā)送和接收.Zigbee 網(wǎng)絡(luò)具有三種拓?fù)湫问剑盒切瓮負(fù)?、?shù)形拓?fù)?、網(wǎng)狀拓?fù)?Mesh拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器管理區(qū)域內(nèi)與其具有鄰接關(guān)系的設(shè)備表，如果目標(biāo)設(shè)備在物理區(qū)域內(nèi)可見(jiàn)，就可以根據(jù)路由表記錄中的路徑直接發(fā)送信息，若目標(biāo)設(shè)備不具備局部的鄰接關(guān)系，就需啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程：一個(gè)設(shè)備發(fā)出路由請(qǐng)求命令幀啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)應(yīng)的接收者收到該命令，給出路由回復(fù)命令幀，對(duì)潛在的各條路徑的跳轉(zhuǎn)次數(shù)、延遲時(shí)間進(jìn)行評(píng)估比較，將最佳路由記錄添加到此路徑上各個(gè)設(shè)備的路由表中.因此，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂懈屿`活的信息路由規(guī)則，在可能的情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，使信息的傳輸變得更有效率，而且一旦一個(gè)路由路徑出現(xiàn)問(wèn)題，信息可以自動(dòng)的沿著其它的路由路徑進(jìn)行傳輸，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)自組織能力.

1.2 JN5139結(jié)構(gòu)

JN5139嵌入了完整的IEEE802.15.4和ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，具有低功耗的休眠模式、安全機(jī)制和程序加密，以及一體化收發(fā)器和微處理控制器，適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 JN5139內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1所示的JN5139內(nèi)含192kB的ROM存儲(chǔ)了包括協(xié)議堆棧在內(nèi)的系統(tǒng)代碼，96kB的RAM存儲(chǔ)系統(tǒng)數(shù)據(jù)和引導(dǎo)程序代碼，以及48bit的OTP eFuse存儲(chǔ)MAC ID，并提供基于AES的代碼加密，集成有4路12位ADC，2路11位DAC和2個(gè)比較器、2個(gè)應(yīng)用計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器、3個(gè)系統(tǒng)計(jì)時(shí)器和2個(gè)UART、5種可選擇的SPI端口和2線串行接口，多達(dá)21個(gè)GPIO，以及OQPSK調(diào)制解調(diào)器和2.4GHz的射頻處理單元.

JN5139內(nèi)嵌的完整ZigBee協(xié)議?？蓪?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由功能，具備網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)全功能，因此適合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).采用JN5139的節(jié)點(diǎn)，可通過(guò)軟件定義為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，又可作為終端使用.其開(kāi)發(fā)軟件包括代碼編輯、編譯開(kāi)發(fā)平臺(tái)和下載工具.

2 基于JN5139無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)通信模塊和能量供應(yīng)模塊組成.系統(tǒng)采用的傳感器為數(shù)字式溫濕傳感器(型號(hào)為SHT1X),而電池電壓的監(jiān)控直接進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換.因此,以JN5139組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵是軟件開(kāi)發(fā)和功能定義.

2.1 系統(tǒng)組網(wǎng)與ZigBee協(xié)議棧的開(kāi)發(fā)接口API

系統(tǒng)初始化由Jennic提供的BOS(基本操作系統(tǒng))控制Zigbee堆棧以及用戶任務(wù)的執(zhí)行，首先對(duì)每個(gè)設(shè)備的Zigbee堆棧進(jìn)行初始化，初始化網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，定義網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)，協(xié)調(diào)器通過(guò)能量掃描檢測(cè)來(lái)找到一個(gè)相對(duì)安靜的射頻通道，并利用此通道來(lái)建立自己的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，其它的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就可加入該網(wǎng)絡(luò)，從而構(gòu)建復(fù)雜的Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是在Jennic提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行的.Jennic公司在ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)上提供了BOS，包括一些基本的接口函數(shù)，主要有：1)初始化函數(shù)，用于在設(shè)備上電時(shí)對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行初始化；2)協(xié)議棧調(diào)用函數(shù)；3)協(xié)議棧調(diào)用應(yīng)用函數(shù)，這類(lèi)函數(shù)通常作為協(xié)議棧和應(yīng)用程序進(jìn)行通訊的接口.

2.2 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集以及通過(guò)無(wú)線通信模塊將采集數(shù)據(jù)包無(wú)線傳送.各節(jié)點(diǎn)遵循休眠-被喚醒-正常工作的工作模式，如圖2(a)所示.在休眠狀態(tài)，處理器停止工作，而SPI端口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作.當(dāng)中斷產(chǎn)生，節(jié)點(diǎn)就通過(guò)控制引腳信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送.

具體的設(shè)計(jì)過(guò)程如下[6-8]：

(1) 設(shè)置基本的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)：通過(guò)調(diào)用函數(shù)分別配置網(wǎng)絡(luò)通道和配置網(wǎng)絡(luò)ID號(hào).

(2) 初始化：調(diào)用初始化函數(shù)完成包括初始化系統(tǒng)、指示燈、ADC，最后啟動(dòng)BOS任務(wù)系統(tǒng)，然后程序就在系統(tǒng)的調(diào)度下開(kāi)始工作，進(jìn)入不同的事件處理函數(shù).例如控制ADC的函數(shù)可分別設(shè)置禁止連續(xù)轉(zhuǎn)換、輸入電壓的范圍和ADC的轉(zhuǎn)換通道.

(3) 熱啟動(dòng)入口:當(dāng)系統(tǒng)處于休眠模式時(shí)，由中斷喚醒，喚醒后的系統(tǒng)調(diào)用入口函數(shù)，程序從入口重新開(kāi)始運(yùn)行.

(4) 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送函數(shù):該函數(shù)執(zhí)行讀傳感器數(shù)據(jù)、控制顯示燈閃爍和發(fā)送數(shù)據(jù)等.

(5) 回調(diào)函數(shù)：Router使用回調(diào)函數(shù)創(chuàng)建周期性任務(wù)函數(shù)，使Router周期性的向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送數(shù)據(jù)，控制設(shè)備作為Router啟動(dòng)，并試圖加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)議棧通過(guò)函數(shù)反饋判斷該路由是否成功加入到網(wǎng)絡(luò).

2.3 Coordinator節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

Coordinator負(fù)責(zé)組網(wǎng)并啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，定時(shí)的接收網(wǎng)絡(luò)中傳來(lái)的數(shù)據(jù)，并向通過(guò)串口向上位機(jī)寫(xiě)數(shù)據(jù),其流程如圖2(b)所示.

圖2 節(jié)點(diǎn)工作流程

具體操作如下：

(1) 接收數(shù)據(jù)處理:Coordinator接收數(shù)據(jù)通過(guò)協(xié)議棧調(diào)用回調(diào)函數(shù)完成，并解析 其攜帶的數(shù)據(jù)內(nèi)容，得到傳感器的數(shù)據(jù).當(dāng)Coordinator和Router在同一網(wǎng)絡(luò)中，且有數(shù)據(jù)從Router發(fā)送過(guò)來(lái)的時(shí)候，Coordinator便開(kāi)始接收，收到的數(shù)據(jù)將調(diào)用串口函數(shù)向串口發(fā)送.

(2) 串口操作：調(diào)用輸出函數(shù)，向串口直接寫(xiě)地址和數(shù)據(jù).

(3) 設(shè)備運(yùn)行標(biāo)志：在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)周期性的調(diào)用函數(shù)，讓燈閃爍表示設(shè)備的運(yùn)行.

(4) 回調(diào)函數(shù)：Coordinator 通過(guò)調(diào)用回調(diào)函數(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的終端設(shè)備進(jìn)行描述，使Coordinator能正確地接收其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù).

3 運(yùn)行結(jié)果

通過(guò)編譯軟件將上述的Coordinator和Router 的CPP文件進(jìn)行編譯，并下載到不同的傳感器板中.系統(tǒng)配置是四個(gè)Router和一個(gè)Coordinator.并將Coordinaotr接到上位機(jī)串口，通過(guò)串口數(shù)據(jù)可以看到不同地址的路由上報(bào)的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)和供電電池電壓.部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語(yǔ)

基于JN5139控制器，添加適當(dāng)?shù)耐鈬娐?，設(shè)計(jì)了溫濕度監(jiān)控系統(tǒng).運(yùn)用Jennic公司提供的軟件編輯、編譯器，以及其提供的庫(kù)函數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)定不同的設(shè)備為Coordinator和Router，實(shí)現(xiàn)了不同設(shè)備之間消息與數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，并實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)及路由.

參考文獻(xiàn)：

[1]劉焱驪,沈斌,胡中功，等.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)分簇低延時(shí)MAC協(xié)議 [J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào),2008,30(4):85-89.

[2]余永輝,涂巧玲，彭宇興.基于CC2420的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)低功耗研究[J].電視技術(shù),2009,33(5):73-75.

[3]劉志東,陳彥明.基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2008,28(5):399-402

[4]董方武，王紹卜，馬子余.基于ZigBee的堿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)在線檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(1):100-103.

[5]高文華,康琳,柴婷婷.基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 電子測(cè)量技術(shù),2008,31(10)：122-124.

[6]Jennic Ltd.Preliminary Data sheet JN5139-xxx-Myy.IEEE802.15.412igBee Module Family [EB/OL].[2008-5-10].http://www.jennic.com.

[7]Jennic Ltd. JN-AN-1015 ZigBeewireless sensor network[EB/OL][2007-07-13]．http：//www．jennic．com．

[8]Jennic Ltd．JN513x Wireless-microcontroller Datash-eet[EB/OL][2007-10-26]．http：//www．jennic．com．