孫娟，馬忠梅，劉佳偉，董帆

（北京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京100081）

孫娟（碩士研究生）、馬忠梅（副教授），主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

引 言

基于ⅠEEE 802.15.4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)［1］，是目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要支撐協(xié)議之一。針對(duì)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(duì)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(chǔ)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(duì)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 Cortex－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(tái)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Zig－Bee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［2］。

圖1 ZigBee節(jié)點(diǎn)應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

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(duì)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(tái)。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 507MHz的2.4GHz 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 250kbps，碼 片 速 率 為 2Mchip／s［3］。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18.5mA，其輸出功率編程可控，最大輸出功率可達(dá)5dBm，此時(shí)電流消耗33.6mA，支持ⅠEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee協(xié)議［4］。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(píng)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［5］。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。

圖2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

2.2 無線通信節(jié)點(diǎn)平臺(tái)分析

通過了解ⅠEEE 802.15.4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(duì)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Zig－Bee節(jié)點(diǎn)平臺(tái)，基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，采用功能模塊化設(shè)計(jì)。

2.2.1協(xié)調(diào)器的功能模塊配置

LM3S9B96微控制器提供了3個(gè)UART通信口，在zstack＿collector工程中選擇UART0作為串行通信端口。在系統(tǒng)時(shí)鐘配置上，為使協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在50MHz的頻率上，需使用PLL（Phase Locked Loop，鎖相環(huán)）進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘4分頻配置。另外，程序中使用定時(shí)器timer0A與time0B以支持協(xié)議棧任務(wù)的運(yùn)行。CC2520與LM3S9B96之間采用SPⅠ接口，其他引腳配置為：FⅠFOP作為接收數(shù)據(jù)包判斷的重要引腳，對(duì)應(yīng)開發(fā)板上的中斷引腳PC6；數(shù)據(jù)緩存判斷引腳FⅠFO則對(duì)應(yīng)PC7。在接收模式下，當(dāng)發(fā)生越界或幀接收完畢時(shí)，F(xiàn)ⅠFOP引腳可以用來中斷微處理器，F(xiàn)ⅠFO引腳可以用來判斷數(shù)據(jù)是否都處于接收FⅠFO中。CC2520與LM3S9B96微控制器的接口如圖3所示。

圖3 CC2520與LM3S9B96微控制器接口

CC2520利用SFD、FⅠFO、FⅠFOP和 CCA 4個(gè)引腳查詢數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，利用SPⅠ接口（CSN、SO、SⅠ、SCK）與LM3S9B96微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換及命令傳送。另外，利用RSTn引腳復(fù)位芯片并使用VREG＿EN引腳使能CC2520的電壓調(diào)整器，使其產(chǎn)生CC2520正常工作所需的電壓，CC2520的電壓規(guī)格范圍為1.8～3.8V。本平臺(tái)的CC2520與CC2530使用單極天線進(jìn)行通信。

2.2.2協(xié)調(diào)器的軟件環(huán)境配置

使用“＃include"config／lm3s／f8wConfig.h"”與“＃include"config／lm3s／f8wCoord.h"”將該工程配置為協(xié)調(diào)器工程項(xiàng)目。然后在ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)置上，通過“＃define DEFAULT＿CHANLⅠST 0x00000800”宏定義將物理信道配置為 11，通 過 “＃define ZDAPP＿CONFⅠG＿PAN＿ⅠD 0xFFFF”宏定義使得協(xié)調(diào)器運(yùn)行時(shí)可自行設(shè)置PAN ⅠD，若ZDAPP＿CONFⅠG＿PAN＿ⅠD 值不為0xFFFF時(shí)，PANⅠD由其指定。ZigBee節(jié)點(diǎn)的2.4GHz頻段有著良好的抗干擾性能，不同信道下的通信互不干擾。在組網(wǎng)過程中務(wù)必保證網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)擁有相同的PAN ⅠD及物理信道，處在同一網(wǎng)絡(luò)下，否則將無法正常組網(wǎng)通信。

3 ZigBee無線組網(wǎng)研究

3.1 LM3S9B96＋CC2520協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)流程

CC2520協(xié)調(diào)器軟件初始化的基本思路是：先對(duì)LM3S9B96與CC2520控制端口進(jìn)行初始化；使能觸摸屏ADC通道，使能UART通信端口，使能SPⅠ口，并通過SPⅠ口按照CC2520芯片的操作時(shí)序初始化CC2520；操作系統(tǒng)抽象層加載協(xié)議棧運(yùn)行任務(wù)，并提供信息管理、任務(wù)同步、時(shí)間管理、中斷管理、任務(wù)管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲(chǔ)管理等服務(wù)。開啟無線收發(fā)機(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序等待數(shù)據(jù)的收發(fā)。協(xié)調(diào)器設(shè)備的組網(wǎng)程序流程如圖4所示。

3.2 LM3S9B96＋CC2520與CC2530組網(wǎng)研究

ZigBee有著大規(guī)模的組網(wǎng)能力，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)理論上最大可支持65 535個(gè)節(jié)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)利用多達(dá)十幾個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ZigBee平臺(tái)，研究發(fā)現(xiàn)LM3S9B96與CC2530進(jìn)行無線組網(wǎng)，必須具備以下幾個(gè)條件。

（1）采用相同的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議棧

因相同協(xié)議棧組網(wǎng)握手協(xié)議及流程一樣，要保證網(wǎng)絡(luò)中信息傳輸過程一致，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備之間只有采用相同的協(xié)議棧，才能實(shí)現(xiàn)互操作。在組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)一采用了ZigBee 2007／PRO協(xié)議棧。

（2）PANID號(hào)和信道的配置

協(xié)調(diào)器和路由器、終端設(shè)備的PAN ⅠD號(hào)必須保持一致，所采用的信道也必須相同。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的PANⅠD號(hào)與ZDAPP＿CONFⅠG＿PAN＿ⅠD宏值的設(shè)置有關(guān)，若其值為0xFFFF，則協(xié)調(diào)器將產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)的PAN ⅠD，而路由器和終端設(shè)備將在自己的信道上隨機(jī)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)加入，并以協(xié)調(diào)器的PAN ⅠD作為自己的PAN ⅠD；若其值介于0x3FFFF與0xFFFF之間，則協(xié)調(diào)器將根據(jù)自己的ⅠEEE地址隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)PAN ⅠD，而路由器和終端設(shè)備將以ZDAPP＿CONFⅠG＿PAN＿ⅠD的值作為其PAN ⅠD；若其值小于等于0x3FFFF，則協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備均會(huì)以ZDAPP＿CONFⅠG＿PAN＿ⅠD的值作為其PAN ⅠD。2.4GHz的射頻頻段被分為0x0B～0x1A共16個(gè)獨(dú)立的信道，在組網(wǎng)過程中，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備必須采用相同的信道。

（3）相應(yīng)的事件處理機(jī)制

CC2530芯片初始化完畢后，觸發(fā)ZB＿ENTRY＿EVENT事件啟動(dòng)設(shè)備，該事件在用戶自定義的事件處理函數(shù)zb＿HandleOsalEvent（）中被處理，調(diào)用zb＿StartRequest（）函數(shù)啟動(dòng)路由器或者終端設(shè)備并加入LM3S9B96協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)。

①CC2530路由器與終端節(jié)點(diǎn)的主要代碼。

圖4 協(xié)調(diào)器設(shè)備組網(wǎng)程序流程

②LM3S9B96＋CC2520協(xié)調(diào)器的主要代碼。

該函數(shù)主要用來處理3個(gè)網(wǎng)絡(luò)事件：

◆ZB＿ENTRY＿EVENT，負(fù)責(zé)啟動(dòng)設(shè)備組建或加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

◆ MY＿FⅠND＿COLLECTOR＿EVT，負(fù)責(zé) CC2530路由器、終端設(shè)備和LM3S9B96協(xié)調(diào)器之間的綁定。

◆ MY＿REPORT＿EVT，負(fù)責(zé)定時(shí)維護(hù)LM3S9B96協(xié)調(diào)器和CC2530路由器、終端設(shè)備之間的父子關(guān)系。

設(shè)備啟動(dòng)完畢后，作為路由器或終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)備將自動(dòng)調(diào)用回調(diào)函數(shù)zb＿StartConfirm（）確認(rèn)設(shè)備是否啟動(dòng)成功，同時(shí)在函數(shù)內(nèi)部觸發(fā)設(shè)備綁定事件 MY＿FⅠND＿COLLECTOR＿EVT。其核心代碼如下：

CC2530路由器、終端設(shè)備和LM3S9B96＋CC2520協(xié)調(diào)器完成設(shè)備綁定后，還必須定時(shí)觸發(fā) MY＿REPORT＿EVT事件，該事件負(fù)責(zé)每隔myReportPeriod時(shí)間（默認(rèn)為2s）向LM3S9B96＋CC2520協(xié)調(diào)器發(fā)送父子節(jié)點(diǎn)綁定關(guān)系的消息以維護(hù)父子關(guān)系，其發(fā)送消息的關(guān)鍵函數(shù)為zb＿SendDataRequest（）。

3.3 ZigBee平臺(tái)上智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)目前大中型停車場中普遍存在的停車難、收費(fèi)麻煩等問題，在以LM3S9B96＋CC2520為協(xié)調(diào)器、CC2530作為終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee星狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個(gè)新型的停車場智能泊車引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用N18－D80NK反射式接近開關(guān)傳感器采集每個(gè)車位當(dāng)前是否被占用的狀態(tài)信息，通過CC2530無線節(jié)點(diǎn)模塊利用ZigBee傳輸?shù)絃M3S9B96協(xié)調(diào)器。LM3S9B96協(xié)調(diào)器對(duì)信息匯總后進(jìn)行初步處理，以UDP通信的形式與OMAP3530嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)行局域網(wǎng)通信，并在OMAP3530嵌入式網(wǎng)關(guān)的顯示屏上對(duì)當(dāng)前所有車位狀態(tài)進(jìn)行同步更新并顯示，以便車主能夠直觀地選擇空閑車位。同時(shí)，還在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上將OMAP3530的串口通信與短信查詢模塊集成在一起，實(shí)現(xiàn)了停車場空閑車位的短信查詢功能。系統(tǒng)也可以用LM3S9B96協(xié)調(diào)器上的網(wǎng)絡(luò)或USB口把采集的信息直接傳送給微機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。

結(jié) 語

LM3S9B96作為32位ARM Cortex－M3微處理器，在性能方面具有處理速度快、外圍接口豐富等優(yōu)勢，它與CC2520一起組成的協(xié)調(diào)器在ZigBee無線組網(wǎng)方面有著廣闊的發(fā)展前景。本文在了解CC2530、CC2520等無線芯片的原理與技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于LM3S9B96＋CC2520為協(xié)調(diào)器，CC2530為路由器或終端設(shè)備的無線組網(wǎng)方案。在ZigBee技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，相信LM3S9B96＋CC2520平臺(tái)將會(huì)為解決ZigBee技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的問題帶來更大的自由度和選擇性。

［1］ZigBee Alliance.ZigBee Specification 053474r1［EB／OL］.［2011－08］.http：／／www.docin.com／p－46456705.html.

［2］蔣挺，趙成林.紫峰技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：1－10.

［3］Shahin Farahani.ZigBee Wireless Networks and Transceivers［M］.Newnes，2008：3－8.

［4］Texas Ⅰnstruments.CC2520Data Sheet［EB／OL］.（2011－03）［2011－08］.http：／／www.ti.com.

［5］馬忠梅.ARM Cortex核TⅠ微控制器原理與應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011（1）：100－101.