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北京智控理工偉業(yè)科教設(shè)備有限公司
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ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)
ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn),WSN引起了世界上許多國(guó)家軍界、學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視,其應(yīng)用前景十分廣闊。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是指由大量無(wú)處不在的,具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密集分布在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)而構(gòu)成的根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的自治測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前,在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,短距離、低成本、低功耗的ZigBee技術(shù)是無(wú)線通信應(yīng)用的首選技術(shù)之一。
1.ZigBee技術(shù)
ZigBee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),主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。其可工作在2.14GHz,868MHz和915MHz三個(gè)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(wú)線通信技術(shù),ZigBee具有如下特點(diǎn)
(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(shè)備非常省電。ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其他無(wú)線設(shè)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(jì)很快就能教導(dǎo)1.5-2.5美元,并且ZigBee協(xié)議是免*費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵因素。
(3)時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms、休眠激活的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)設(shè)用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制應(yīng)用。
(4)網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)*多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在*多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開(kāi)可發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。
(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。
2. ZigBee設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)
ZigBee定義了兩種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備FFD(Full FunctionalDevice)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD (Reduced Functional Device).其中FFD實(shí)現(xiàn)了全部功能,而RFD只是實(shí)現(xiàn)了部分功能。FFD設(shè)備之間以及FFD和RFD之間可以相互通信;但RFD只能和FFD設(shè)備通信,而不能與其它RFD設(shè)備通信, ZigBee規(guī)范根據(jù)設(shè)備所處的角色定義了三種邏輯設(shè)備類型ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBeeRouter)和ZigBee終端設(shè)(ZigBee End Device),通常協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)一般由FFD功能設(shè)備構(gòu)成,終端設(shè)備由RFD設(shè)備組成。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò),在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè);ZigBee路由器是中繼節(jié)點(diǎn),可以選路并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);ZigBe。終端設(shè)備功能比較單一,往往只是發(fā)送和接收簡(jiǎn)單信息。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò),也可以組織成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。在星型網(wǎng)絡(luò)中,所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電,而其他設(shè)備采用電池供電。與星型網(wǎng)絡(luò)不同,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍之內(nèi),任何兩個(gè)設(shè)備之間都可以直接通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息,認(rèn)證設(shè)備身份等功能。
3.無(wú)線模塊硬件設(shè)計(jì)
這個(gè)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(kāi)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(yīng)用, 多個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及強(qiáng)大處理功能。射頻芯片采用的是Chipcon公司的2.4CHz的無(wú)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(gè)SPI接口與微處理器連接,通過(guò)這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務(wù)。
4、軟件設(shè)計(jì)
ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的軟件主要是由嵌入式操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應(yīng)用程序組成的。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡(jiǎn)單高效的任務(wù)調(diào)動(dòng)、中斷處理和時(shí)間隊(duì)列管理等,還包括所有硬件的底層驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)等。采用模塊化的設(shè)計(jì)協(xié)議棧,使得整個(gè)系統(tǒng)層次清楚,擴(kuò)展性好,有利于ZigBee技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)。該協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)主要?jiǎng)澐譃?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(jié)構(gòu),每層用一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn);調(diào)度模塊負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)調(diào)用合適的協(xié)議棧模塊;計(jì)時(shí)模塊和存儲(chǔ)模塊為每個(gè)協(xié)議棧模塊提供公共操作。此外,還有一個(gè)共享緩沖區(qū),用來(lái)存儲(chǔ)協(xié)議棧模塊和調(diào)度模塊交換的信息。
5小結(jié)
本文針對(duì)一種可應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低速、低功耗、低成本的短距離無(wú)線通信ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用開(kāi)展了研究和開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)了個(gè)基于低功耗ARM7系列微處理器的ZigBee無(wú)線通信模塊,由這些模塊組成的短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在一些多功能、處理性能要求高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合中得到實(shí)際應(yīng)用。
1.ZigBee技術(shù)
ZigBee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),主要用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。其可工作在2.14GHz,868MHz和915MHz三個(gè)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(wú)線通信技術(shù),ZigBee具有如下特點(diǎn)
(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(shè)備非常省電。ZigBee設(shè)備僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,這是其他無(wú)線設(shè)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(jì)很快就能教導(dǎo)1.5-2.5美元,并且ZigBee協(xié)議是免*費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵因素。
(3)時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短,典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30ms、休眠激活的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。因此ZigBee技術(shù)設(shè)用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無(wú)線控制應(yīng)用。
(4)網(wǎng)絡(luò)容量大:一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)*多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備,一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在*多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙,避開(kāi)可發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題可以進(jìn)行重發(fā)。
(6)安全:ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權(quán)和認(rèn)證,采用了AES-128的加密算法,各個(gè)應(yīng)用可靈活確定其安全屬性。
2. ZigBee設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)
ZigBee定義了兩種物理設(shè)備類型:全功能設(shè)備FFD(Full FunctionalDevice)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備RFD (Reduced Functional Device).其中FFD實(shí)現(xiàn)了全部功能,而RFD只是實(shí)現(xiàn)了部分功能。FFD設(shè)備之間以及FFD和RFD之間可以相互通信;但RFD只能和FFD設(shè)備通信,而不能與其它RFD設(shè)備通信, ZigBee規(guī)范根據(jù)設(shè)備所處的角色定義了三種邏輯設(shè)備類型ZigBee協(xié)調(diào)器(ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBeeRouter)和ZigBee終端設(shè)(ZigBee End Device),通常協(xié)調(diào)器和路由器節(jié)點(diǎn)一般由FFD功能設(shè)備構(gòu)成,終端設(shè)備由RFD設(shè)備組成。ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò),在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè);ZigBee路由器是中繼節(jié)點(diǎn),可以選路并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);ZigBe。終端設(shè)備功能比較單一,往往只是發(fā)送和接收簡(jiǎn)單信息。
ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用的需要可以組織成星型網(wǎng)絡(luò),也可以組織成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò),如圖1所示。在星型網(wǎng)絡(luò)中,所有設(shè)備都與中心設(shè)備PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。在這種網(wǎng)絡(luò)中,網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電,而其他設(shè)備采用電池供電。與星型網(wǎng)絡(luò)不同,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)只要彼此都在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍之內(nèi),任何兩個(gè)設(shè)備之間都可以直接通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息,認(rèn)證設(shè)備身份等功能。
3.無(wú)線模塊硬件設(shè)計(jì)
這個(gè)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(kāi)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(yīng)用, 多個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及強(qiáng)大處理功能。射頻芯片采用的是Chipcon公司的2.4CHz的無(wú)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(gè)SPI接口與微處理器連接,通過(guò)這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)兩方面的任務(wù)。
4、軟件設(shè)計(jì)
ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上的軟件主要是由嵌入式操作系統(tǒng)、ZigBee協(xié)議棧和應(yīng)用程序組成的。嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核提供了簡(jiǎn)單高效的任務(wù)調(diào)動(dòng)、中斷處理和時(shí)間隊(duì)列管理等,還包括所有硬件的底層驅(qū)動(dòng)。應(yīng)用程序包括串口通信、射頻通信和信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)等。采用模塊化的設(shè)計(jì)協(xié)議棧,使得整個(gè)系統(tǒng)層次清楚,擴(kuò)展性好,有利于ZigBee技術(shù)的二次開(kāi)發(fā)。該協(xié)議棧在設(shè)計(jì)時(shí)主要?jiǎng)澐譃?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(jié)構(gòu),每層用一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn);調(diào)度模塊負(fù)責(zé)根據(jù)任務(wù)調(diào)用合適的協(xié)議棧模塊;計(jì)時(shí)模塊和存儲(chǔ)模塊為每個(gè)協(xié)議棧模塊提供公共操作。此外,還有一個(gè)共享緩沖區(qū),用來(lái)存儲(chǔ)協(xié)議棧模塊和調(diào)度模塊交換的信息。
5小結(jié)
本文針對(duì)一種可應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低速、低功耗、低成本的短距離無(wú)線通信ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用開(kāi)展了研究和開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)了個(gè)基于低功耗ARM7系列微處理器的ZigBee無(wú)線通信模塊,由這些模塊組成的短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在一些多功能、處理性能要求高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場(chǎng)合中得到實(shí)際應(yīng)用。
