Zigbee组网原理与应用剖析

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1、摘要:ZigBee技术是基于IEEE802.15.4的一种新兴的短距离、低功耗、低成本和低速率的无线传感器网络技术。网络节点作为无线传感器网络的物理载体，如何实现众多网络节点的智能化接入成为关键问题之一。本文提出了LM3S9B96+CC2520平台上无线通信节点的智能化设计，分析了ZigBee无线组网与数据通信技术，并实现了智能泊车引导系统的应用。引言基于IEEE802.15.4标准的ZigBee短距离低速无线个域网(LR-WPAN)协议将低速率、低功耗、低成本作为主要研究日标，是目前无线传感器网络的重要支撑协议之一。针对ZigBee无线短距离低功耗解决方案，虽然

2、目前已经有好儿家大半导体公司设计、生产了和应的无线芯片并提供了对应的支持协议栈，但是目前的ZigBee网络多是采用性能较低、存储容最较小的8/16位微控制器来实现的。然而，ZigBee无线网络的中心控制节点往往要分析、处理网络中通信的人量数据，在一些对实时及高效率有严格要求的应用场合，有必要采用高性能的微处理器作为节点的数据处理单元。TI公司StellarisMCU内部拥有一个32位ARMCortex-M3处理器核，ARMCortex-M3核具有高速的处理速度且支持芯片厂商自己扩展丰富的外设，比如网口、USB口、LCD等。同时，Stellaris系列微控制器包含了

3、100多种可以向全球供货的32位ARM核的MCU。木文选用基于32位ARMCottex-M3核的微控制器LM3S9B96作为无线芯片CC2520的微控制器单元构成协调器节点，另将8051核的SoCCC2530芯片模块作为终端采集节点。通过配置节点设备环境，实现了ZigBee协议下的终端数据采集及星型、树型下的无线组网通信功能，验证了不同规格的ZigBee无线模块在同一协议栈环境下能够正常组网通信，厂商提供的不同ZigBee设备可进行互操作。1ZigBee应用体系结构本平台采用ZigBee标准技术，其具休应用体系结构如图1所示。其中，硬件实体层主要由处理器模块、无线

4、通信模块构成，区别于协调器或路由器的全功能设备，作为精简功能设备的终端节点-•般还需再配上传感器硬件模块以实现数据采集;OSAL软件功能模块作为TIZ-Stack协议栈屮的操作系统抽象层，统一管理协议栈的运行以及各种任务事件的响应；ZigBee协议栈运行于OSAL抽象系统之上，该协议栈是由层來量化表示其整个协议标准的，每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供相应的数据接口及服务；ZigBee技术休系结构主耍由物理(PHY)层、媒体访问控制(MAC)层、ZigBee网络(NWK)层以及应JIJ(APL)层构成，其屮物理层与媒体访问控制层协议为IEEE802.15.

5、4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，而应用层的应用则根据用户白己的应用需求进行开发利用。应用层==ZigBee联盟ZigBee网络层物理层媒体访问控制层======IEEE802.15.4■"'—J1ZigBee节点应用谆系结构在应用系统设计过程中，考虑到LM3S9B96的优良特性以及作为协调器对硬件节点的高性能要求，用该开发板来控制CC2520无线传输模块，并把LM3S9B96+CC2520作为协调器节点，这也是TI公司提供的新的32位无线传感器网络节点方案。同时，将集成了一个8051核及射频电路的CC2530无线模块作为路由和终端节点，终端节点的传感

6、器则采用E18-D80NKDC-5V反射式接近开关传感器，以此构成ZigBee无线组网的硬件平台。在ZigBee协议栈选择方面，CC2520及CC2530使用的是TI公司设计的符合ZigBee2007/PRO标准系统的ZigBee协议栈Z-Stack0Z-Stack是最新功能的协议栈产品，在互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、频率捷变等方血有重大进步，且貝-有支持网状网络和低功耗等特点。在应用程序模块中，通过E18-D80NKDC-5V反射式接近开关传感器进行障碍物检测，利用CC2530终端节点与LM3S9B96协调器进行ZigBee星型网通信，构建了智能泊车引

7、导系统。1ZigBee网络节点结构2.1硬件模块介绍TI公司的CC2520>CC2530芯片是符合ZigBee技术的具有高集成度的无线射频收发器件，CC2520和CC2530芯片的PHY少MAC层协议符合IEEE802.15.4标准，模块可工作在2394〜2507MHz的2.4GHzISM免费频段。该频段可提供16个物理通信信道,工作速率可达到250kbps,码片速率为2Mchip/SoCC2520和CC2530无线芯片均是有着低功耗的特点，在接收数据帧吋电流消耗仅为18.5mA,其输出功率编程可控，最大输出功率可达5dBm,此时电流消耗33.6mA,支持IEEE

8、802.1