【文章內(nèi)容簡介】 enBeforeTalk,LB T)系統(tǒng)。而且 CC2500?？赏ㄟ^掃描 的數(shù)字 RSS91 尋找最佳工 采用 4x4mm 20 引腳 QFP 封裝，由于外形小，而且需要的外部元件數(shù)量少，因此適合開發(fā)小型 產(chǎn)品。CC2500 的選擇性和敏感性質(zhì)數(shù)超過了 IEEE8 標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性，且其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá) 500kpbs，因此可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。3．1 CC2500 的性能參數(shù)CC2500 的主要性能參數(shù)如下所示:1)采用 QLP 封裝，尺寸為 4 X 4mm。2)工作頻帶范圍:3)數(shù)據(jù)傳輸速率為 500kpbs。4)低電流消耗(RX: ).高靈敏度(98dBm)。5)所需外圍元件很少。6)抗干擾能力強:7)采用低壓供電( ) 。8)與微處理器的接口配置容易(4 總線 SPI 接口)。9)開發(fā)工具齊全，提供開發(fā)套件圖 CC2500的引腳接線圖圖 CC2500引腳圖基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計83．2 CC2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 32 是 CC2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。CC2500 從天線接收到射頻信號時，首先經(jīng)過低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)，然后在正交下變頻到2MHz 的中頻上，形成中頻信號的同向分量和正交分量。兩路信號經(jīng)過濾波和放大后，直接通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。后續(xù)的處理，如自動增益控制、最終信道選擇、解擴以及字節(jié)同步等，都是以數(shù)字信號的形式處理。當(dāng) CC2500 的 SFD 引腳為低電平時，表示接收到了物理幀的 SFD 到的數(shù)據(jù)存放在 128 字節(jié)的接收 FIFO 緩存區(qū)中，幀的 CRC 校驗由硬件完成。CC2500 的 FIFO 緩存區(qū)保存 MAC 幀的長度、MAC 幀頭和 MAC 幀負(fù)載數(shù)據(jù)三個部分，而不保存幀校驗碼。CC2500 發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)幀的前導(dǎo)序列、幀的起始分隔符以及幀檢驗序列由硬件產(chǎn)生。接收數(shù)據(jù)時，這些部分只用于幀同步和CRC 校驗，而不會保存到接收 FIFO 緩存區(qū)。CC2500 發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用直接正交上變頻?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至恐苯颖粩?shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號，通過低通濾波器后，直接變頻到設(shè)定的信道上。圖 32 CC2500 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計94 ZigBee協(xié)議棧研究本章介紹的是基于 IEEE802．15．4 的無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) ZigBee 協(xié)議棧，簡單講解 ZigBee 的 MAC 以及 PHY 層(即 IEEE802．15．4 定義)，比較詳細(xì)地講解由ZigBee 聯(lián)盟所定義的 ZigBee 協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。4．1 ZigBee 協(xié)議棧概述ZigBee 技術(shù)是一個具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無線通信技術(shù)。ZigBee 協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，一個管理實體提供全部其他服務(wù)。每個服務(wù)實體通過一個服務(wù)接入點(SAP)為其上層提供服務(wù)接口，并且每個 SAP 提供了一系列的基本服務(wù)指令來實現(xiàn)相應(yīng)的功能。圖 Zigbee體系結(jié)構(gòu)模型ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 3．1 所示。它是基于標(biāo)準(zhǔn)的開放式系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)模型，但僅對那些涉及 ZigBee 的層予以定義。IEEE802．15．42021標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)。ZigBee 聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計，其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層(APS)、ZigBee 設(shè)備對象(ZDO)和由制造商制訂的應(yīng)用對象。IEEE802．15．4 在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)領(lǐng)域，定義了兩個工作頻段：2．4GHz 頻段和 868／915MHz 頻段。在 IEEE802．15．4 中，總共分配了 27 個具有 3 種速率的信道：在 2．4GHz 頻段有 16 個速率為 250kb／s 的信道；在915MHz 頻段有 lO 個 40kb／s 的信道；在 868MHz 頻段有一個 20kb／s 的信道。這些信道的中心頻率按如下定義(k 為信道數(shù))基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計10一個 IEEE802．15．4 可以根據(jù) ISM 頻段、可用性、擁擠狀況和數(shù)據(jù)速率在 27 個信道中選擇一個工作信道。從能量、成本和效率來看，不同的數(shù)據(jù)速率能為不同的應(yīng)用提供較好的選擇。來自 IEEE802．15．4 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)的二進制數(shù)據(jù)被依次(按字節(jié)從低到高)組成 4 位二進制數(shù)據(jù)符號，每種數(shù)據(jù)符號(對應(yīng) 16 狀態(tài)組中的一組)被映射成 32 位偽噪聲碼片(CHIP)，以便傳輸。然后這個連續(xù)的偽噪聲 CHIP序列被調(diào)制(采用最小鍵控方式)到載波上，即采用半正弦脈沖波形的偏移正交相移鍵控(OOPSK)調(diào)制方式。IEEE802．15．4MAC 層提供兩種服務(wù)：MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)和 MAC 層管理服務(wù)。管理服務(wù)通過 MAC 層管理實體(MLME)服務(wù)接入點(SAP)訪問高層，MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU)的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。IEEE802．15．4MAC 層的特征有信標(biāo)管理、信道接入機制、保證時隙(GTS)管理、幀確認(rèn)、確認(rèn)幀傳輸、節(jié)點接入和分離。ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層主要用于 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等，而應(yīng)用層主要用于對 ZigBee 技術(shù)的實際應(yīng)用提供一些應(yīng)用框架模型等。低速率的無限個局域網(wǎng)允許使用超幀結(jié)構(gòu)。超幀的格式由傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器定義，超幀被分為 16 個大小相等的時隙 n 別，由協(xié)調(diào)器發(fā)送，如圖 4．2所示。每個超幀之間由網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)分隔。信標(biāo)可用來使接入的設(shè)備同步，描述超幀結(jié)構(gòu)。任何想要在競爭接入時段(CAP)通信的設(shè)備都要使用有時隙的載波監(jiān)聽多址接入／沖突避免(CSMA／CA)機制。所有的傳輸要在下一個信標(biāo)到來之前結(jié)束。圖 超幀結(jié)構(gòu)從圖 4．2 可以看出，超幀結(jié)構(gòu)有活躍和非活躍兩部分。在非活躍部分，協(xié)調(diào)器將不與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，進入低能模式。對于低延遲應(yīng)用或需要特殊帶寬的應(yīng)用基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計11來說，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為它貢獻(xiàn)出超幀的活躍部分，這部分叫做 GTS。GTS 由無競爭時段(CFP)組成，它總是緊跟著 CAP，在活躍的超幀尾部。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以分配7 個 GTS，每個 GTS 可以占用一個以上的時隙，而 CAP 有充足的時間留給基于競爭的接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備或想加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。所有基于競爭的傳輸都要在 CFP 開始前結(jié)束，同樣，GTS 的傳輸也要確保在下個 GTS 開始前結(jié)束。4．2 通信層ZigBee 協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖 2．1 所示．IEEE802．15．4 標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層一一物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)，而 ZigBee 直接使用了IEEE802．15．4 所定義的物理層和介質(zhì)接入控制子層來作為 ZigBee 的物理層和介質(zhì)接入控制子層。4．2．1 PHY(物理)層ZigBee 的通信頻率在物理層來規(guī)范，ZigBee 根據(jù)不同的國家和地區(qū)為其提供不同的工作頻率范圍，ZigBee 所使用的頻率范圍分別為 2．4GHz 和868／915MHz。因此，IEEE802．15．4 定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是 2．4GHz物理層和 868／915MHz 物理層。兩個物理層都基于直接序列擴頻(DSSS，Direct Sequence Spread Spectrum)技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴頻碼片長度和傳輸速率的不同。2．4GHz 波段為全球統(tǒng)一、無須申請的 ISM 頻段，有助于 ZigBee 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2．4GHz 的物理層通過采用 16 相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250kb／s 的傳輸速率，從而提高了數(shù)據(jù)吞吐率，縮短了通信時延和數(shù)據(jù)收發(fā)的時間，所以更加省電。868MHz 是歐洲附加的 ISM 頻段，915MHz 是美國附加的 ISM 頻段，工作在這兩個頻段上的 ZigBee 設(shè)備避開了來自 2．4GHz 頻段中其他無線通信設(shè)備和家用電器的無線電干擾。868MHz 上的傳輸速率為 20kb／s，915MHz 上的傳輸速率則是 40kb／s。物理層提供兩個服務(wù)：PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)和 PHY 管理服務(wù)，PHY 管理服務(wù)和物理層管理實體(PLME)接口。PHY 數(shù)據(jù)服務(wù)：在物理無線信道上接收和發(fā)送 PHY 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDUs)，物理層負(fù)責(zé)下面的任務(wù)：無線收發(fā)信機的激活和去激活；在當(dāng)前信道上的能量監(jiān)測(ED)；鏈路質(zhì)量指示(LQI)，用在接收的數(shù)據(jù)包上；清除信道評估(CCA)；信道頻率選擇；數(shù)據(jù)發(fā)送和接收；IEEE 在物理層中還規(guī)范了傳輸速率以及調(diào)制方式等相關(guān)要求。在 2．4GHz的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 250kb／s，采用的是 16 相位正交調(diào)制技術(shù)(OQPSK)：在 915MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 40kb／s；采用的是帶有二進制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)；在 868MHz 的物理層，數(shù)據(jù)傳輸速率為 20kb／s，采用的是帶有二進制移相鍵控(BPSK)的直接序列擴頻(DSSS)技術(shù)。物理層通過射頻固件和射頻硬件提供了一個從 MAC 層到物理層無線信道的接口。從圖 4．4 可以看到，在物理層中存在數(shù)據(jù)服務(wù)接入點和物理層管理實體服務(wù)的接入點。通過這兩個服務(wù)接入點提供如下服務(wù)：通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計12入點(PD—SAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù)；通過物理層管理實體(PLME)服務(wù)的接入點(PLME—SAP)為物理層管理提供服務(wù)。圖 物理層參考模型圖 4．5 給出了物理層數(shù)據(jù)包的格式。ZigBee 物理層數(shù)據(jù)包由同步包頭、物理層包頭和物理層凈荷三部分組成。同步包頭由前同步碼(前導(dǎo)碼)和數(shù)據(jù)包(幀)分隔符組成，用于獲取符號同步、擴頻碼同步和幀同步，也有助于粗略的頻率調(diào)整；物理層包頭指示凈荷部分的長度，物理層凈荷部分含有 MAC 層數(shù)據(jù)包，凈荷部分的最大長度是 127 字節(jié)。如果數(shù)據(jù)包的長度類型為 5 字節(jié)或大于8 字節(jié)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)攜帶 MAC 層的幀信息，即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 變量（127 字節(jié)）前導(dǎo)碼幀起始分隔符 幀長度（ 7bit）預(yù)留位（1bit） PSDU同步頭 PHY 幀頭 PHY 凈載圖 PHY 幀結(jié)構(gòu)4．2．2 MAC(介質(zhì)接入控制子層)在 IEEE802 系列中，OSI 參考模型的數(shù)據(jù)鏈路層又被分為 MAC 和 LLC 兩個子層。MAC 子層使用物理層提供的服務(wù)實現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)幀傳輸，而 LLC 子層在 MAC 子層的基礎(chǔ)上，在設(shè)備之間提供面向連接(關(guān)聯(lián))和非連接(取消關(guān)聯(lián))的服務(wù)。IEEE802．15．4 MAC 子層實現(xiàn)包括設(shè)備間無線鏈路的建立、維護和斷開，確認(rèn)模式的幀傳送與接收，信道接入與控制，幀校驗與快速自動請求重發(fā)(ARQ)，預(yù)留時隙管理以及廣播信息管理等。MAC 子層處理所有物理層無線信道的接入，其主要工作有：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)幀：支持多個域網(wǎng)(PAN)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；為設(shè)備的安全提供支持；與網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)同步；信道接入方式采用載波監(jiān)聽多址接入／沖突避免(CSMA／CA)機制；處理和維護保護時隙(GTS)機制：基于 eZ430RF2500 的無線溫度傳感器的設(shè)計13在兩個對等的 MAC 實體之間提供一個可靠的通信鏈路。MAC 層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了一個接口。MAC 層包括一個稱之為 MLME 的管理實體，該實體通過一個服務(wù)接口可調(diào)用 MAC 層管理功能，該實體還負(fù)責(zé)維護 MAC 層固有的管理對象的數(shù)據(jù)庫。從圖 3．6 可以看出，在 MAC 層兩個不同服務(wù)的接入點提供了兩個不同的 MAC 層服務(wù)：MAC 層通過它的公共部分子層服務(wù)接入點為它提供數(shù)據(jù)服務(wù)；MAC 層通過它的管理實體服務(wù)接入點為它提供管理服務(wù)。圖 4．7 給出了 MAC 子層的數(shù)據(jù)包格式。MAC 子層數(shù)據(jù)包由 MAC 子層幀頭(MHR，MAC Header)、MAC 子層載荷和 MAC 子層幀尾(MFR，MAC Footer)組成。MAC子層幀頭由 2 字節(jié)的幀控制域、1 字節(jié)的幀序號域和最多 20 字節(jié)的地址域組成。幀控制域指明了 MAC 幀的類型、地址域的格式以及是否需要接收方確認(rèn)等控制信息；幀序號域包含了發(fā)送方對幀的順序編號，用于匹配確認(rèn)幀，實現(xiàn) MAC 子層的可靠傳輸；地址域采用的尋址方式可以是 64 位的 IEEE MAC 地址或者 8 位的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)地址。圖 MAC 子層參考模型圖 MAC 幀格式MAC 子層載荷，其長度可變，不同的幀類型包含不同的信息，如 MAC 子層業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元(MSDU)：但整個,MAC 幀的長度應(yīng)該小于 127 字節(jié)，其內(nèi)容取決于幀類型。IEEE802．15．4 的 MAC 子層定義了 4 種幀類型：廣播(信標(biāo))幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和 MAC 命令幀。只有廣播幀和數(shù)據(jù)幀包含了高層控制命令或者數(shù)據(jù)，確認(rèn)幀和 MAC 命令幀則用于 ZigBee 設(shè)備間與 MAC 子層功能實體間控制信息的收發(fā)。MAC 子層幀尾含有采用 16 位 CRC 算法計算出來的幀校驗序列(FCS