【文章內容簡介】 標。第3章 無線通信模塊設計 第3章 無線通信模塊設計 無線通信網絡協議 2000年12月IEEE(美國電氣與電子工程師學會)，致力于定義一種適用于固定、便攜或移動設備使用的復雜度低、成本低和功耗低的低速率無線連接技術—ZigBee技術。ZigBee是一種低速率、低功耗、短距離無線接入技術，是為低速率傳感器和控制網絡設計的無線網絡協議。與其他無線協議相比，ZigBee無線協議實現了低復雜性和減縮資源的要求，并且提供了一組標準規(guī)范。它提供了三個工作頻帶，以及一些網絡配置和可選的安全性能，是為低速率控制網絡設計的標準無線網絡協議。ZigBee技術并不是完全獨有的全新標準，它的物理層、(無線個人區(qū)域網)協議標準，并在此基礎上進行了完善和發(fā)展。此外它的網絡層、應用會聚層和高層應用規(guī)范(API)由ZigBee聯盟進行了制定[14]。 ZigBee協議概述 隨著通信技術的迅速發(fā)展，人們提出了在自身附近幾米范圍內通信的要求，這樣就出現了個人區(qū)域網絡(Personal Area Network，PAN)和無線個人區(qū)域網絡(Wireless Personal Area Network WPAN)的概念。WPAN網為近距離范圍內的設備建立無線連接，把幾米到幾十米范圍內的多個設備通過無線方式連接在一起，使他們可以相互通信甚至接入LAN或者Internet，2001年8月成立的ZigBee聯盟就是一個針對WPAN網絡而成立的產業(yè)聯盟。該聯盟致力于近距離、低速率，低成本的無線網絡技術。他們開發(fā)的技術被稱為ZigBee技術，該技術希望被部署到商用電子、住宅及建筑自動化、工業(yè)設備監(jiān)測、PC外設、醫(yī)療傳感設備，玩具以及游戲等其他無線傳感和控制領域當中。ZigBee聯盟已于2005年6月27日公布了第一份ZigBee規(guī)范“ZigBee ”。ZigBee聯盟的長期目標是能夠建立基于互操作平臺和配置文件的可伸縮和低成本嵌入式基礎架構。在WPAN中有三種網絡角色：PAN網絡協調器、協調器和設備，這三種角色在ZigBee規(guī)范中分別對應ZigBee協調器、ZigBee路由器和設備。PAN網絡協調器可以看作是一個PAN的網關節(jié)點。它是網絡建立的起點，負責PAN網絡的初始化，確定PAN的ID號和PAN操作的物理信道并統籌短地址分配。協調器在加入網絡之后獲得一定的短地址空間。在這個空間內，他有能力允許其他節(jié)點加入網絡，并分配短地址。當然協調器還具備路由和數據轉發(fā)的功能。PAN協調器和協調器按周期發(fā)出信標幀(Beacon Frame)，PAN協調器必須是全功能設備(FFD)。精簡功能(RFD)設備是整個網絡的子結點，它只能與它的父節(jié)點通信，也沒有加入其他任何節(jié)點的能力。節(jié)點設備可以是全功能設備(FFD)或精簡功能設備(RFD)，隨著無線網絡技術的快速發(fā)展，許多本來存在的網絡服務逐漸走向成熟?？傊?，ZigBee技術是一種低速率無線傳輸技術，工作頻率為868 MHz、915 GHz， GHz是一個開放的頻率。由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低并且采用了休眠模式，ZigBee技術可以確保用兩節(jié)五號電池支持節(jié)點工作長達6個月到2年左右的時間。當然不同的應用功耗是不同的，該技術的突出特點是應用簡單，電池壽命長，有組網能力，可靠性高以及成本低；由于采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數據時的競爭和沖突。MAC層可以采用完全確認的數據傳輸機制，每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。 ZigBee 網絡層協議網絡層需要提供保證MAC子層正確操作的函數，并為應用層提供服務接口。網絡層為應用層提供了兩種服務實體：數據實體(NLDE)和管理實體(NLME)的接口。網絡層數據實體(NWK Layer Data Entity，NLME)通過NLDESAP提供數據傳輸服務，網絡層管理實體通過NLMESAP提供管理服務。同時，NLME利用NLDE來完成一些管理任務，同時它負責維護網絡信息數據庫(NIB)。NWK層是位于MAC層之上與APL層交互的一個協議層。網絡層的任務是通過正確操作鏈路層提供的功能來向應用層提供合適的服務接口。為了與應用層交互，網絡層邏輯上包含兩個服務實體：數據服務實體(NLDE)和管理服務實體(NLME)。ZigBee規(guī)范定義的NWK層協議，提供數據傳輸服務(NLDE)和管理服務(NLME)。其中NLMESAP是NWK層提供給APL的數據打包成應用層協議數據單元，并將其傳輸給相應的節(jié)點的NWK層；或者將接收到的應用層協議數據單元進行解包，并將解包后得到的數據傳送給本節(jié)點的APL層。也就是說NLDESAP實現兩個APL層之間的數據傳輸。NLMESAP是NWK層給APL層提供的管理服務接口；NLDESAP是NWK層提供給APL層的數據服務接口。MCPSSAP 是由MAC層提供給NWK層的數據服務接口；MLMESAP是MAC層提供給NWK層的管理服務接口。NLDE需要提供一種數據服務來滿足應用程序在兩個或多個設備間傳輸應用協議數據。這些設備必須屬于同一個網絡[16]。 簡介(LowRate Wireless Personal Area Network，LRWPAN)，把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，是IEEE確定的低速個人區(qū)域網絡(Personal Area Network)標準。這個標準定義了“物理層”，(Physical Layer，PHY)和“介質訪問層”(Medium Access Layer，MAC)。物理層規(guī)范確定無線網絡的工作頻段以及該頻段上傳輸數據的基準傳輸率。(ISM)頻段，定義了兩個物理層(PHY)，分別工作在3個工作頻帶： GHz、915 MHz和868 MHz。每個頻帶提供固定數量的信道。例如： GHz頻帶總共提供16個信道(信道1126)、915 MHz頻帶提供10個信道(信道110)，而868 MHz頻帶提供1個信道(信道0)。協議的比特率由所選擇的工作頻率決定。 GHz頻帶提供的數據速率為250 kbps, 915 MHz頻帶提供的數據速率為40 kbps，而868MHz頻帶提供的數據速率為20 kbps。由于數據包開銷和處理延遲，實際的數據吞吐量會小于規(guī)定的比特率。其中低頻段物理層覆蓋了868 MHz的歐洲頻段和915 MHz的美國與澳大利亞等國的頻段，高頻段則全球通用。，主要負責傳輸信標幀，同步以及提供可信賴的傳輸機制。網絡層的主要職責包括提供設備用來加入網絡和離開網絡的機制，提供數據幀傳輸的安全機制和路由機制。另外，發(fā)現并保持設備間的路由并存儲潛在鄰居信息也是由網絡層(NWK)完成的。ZigBee協調器的NWK層還負責啟動一個新的網絡，給新的關聯設備分配地址。，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設(FullFunction Device，FFD)和精簡設備功能設備(ReducedFunction Device, RFD)。FFD之間以及FFD和RFD之間都可以相互通信，但RFD只能與FFD通信，而不能與其他RFD通信。RFD主要用于簡單的控制應用，傳輸的數據量較少，對傳輸資源和通信資源占用不多，可以采用非常廉價的實現方案，在網絡結構中一般作為通信終端。FFD一般需要功能相對比較強大的MCU，一般在網絡結構中用作于網絡控制和管理功能。無線通信信道的特性是動態(tài)變化的，節(jié)點位置或天線方向的微小改變、物體移動等周圍環(huán)境的變化都有可能引起通信鏈路強度和質量的劇烈變化，因而無線通信的覆蓋范圍是不確定的。在進行網絡協議的設計時必須要考慮到無線信道的這個點。，在星型結構中，所有的設備都與中心設備PAN協調器通信。在這種網絡中，協調器一般使用電力系統供電，而其他設備采用電池供電。星型網絡適合家庭自動化、個人計算機外設以及個人健康護理等小范圍的室內應用；與星型網絡不同，點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內，任何兩個設備之間都能直接通信。 協議 (OSI)，每一層都實現一部分通信功能，并向高層提供服務。物理層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構成介質訪問層子層，為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。物理層物理層定義了無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務。物理層數據服務從無線物理信道上收發(fā)數據，物理層管理服務維護一個由物理層相關數據組成的數據庫。物理層相對簡單，主要是在驅動程序的基礎上實現數據傳輸和管理。數據傳輸包括數據的發(fā)送和接收。管理服務包括信道能量監(jiān)測(ED)，鏈接質量指示(LQI)和空閑信道評估(CCA)等。介質訪問層MAC子層提供兩種服務：MAC層數據服務和MAC層管理服務。前者保證MAC協議數據單元在物理層數據服務中心的正確收發(fā)，后者從事MAC層的管理活動，并維護一個信息數據庫。MAC層就本質而言，實上是建筑在物理傳輸層之上的為原始信息的交互而建立的語法和句法邏輯實體結構。，提供數據鏈路層傳輸服務和管理服務。 芯片選擇 本文采用了以MSP430為核心控制模塊，以CC2420為無線收發(fā)模塊的設計方法，MSP430與CC2420通過SPI方式相互通訊，MSP430采用主模式，CC2420采用從模式。采用MSP430為控制器的原因是其在低功耗省電方面表現出色，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定。，正常工作是需要的外圍功能電路少，與控制器接口簡潔，對CC2420操作與控制都十分方便。本文是以MSP430 單片機為核心及外圍電路母板和以CC2420 為核心的模塊設計。監(jiān)測中心站與監(jiān)測節(jié)點之間通過無線網絡實現無線數據收發(fā)，實現了基于無線網絡的多生理參數監(jiān)測。本系統中微處理器起著重要作用，一方面微處理器控制前端數據采集及處理單元進行數據采集和處理，另一方面無線數據傳輸及中央控制單元都離不開微處理器的協同工作。 控制芯片MSP430MSP430是美國TI公司最近推出的16位超低功耗微控制器，它是美國德州儀器針對單相電能表設計研制的。MSP430的性能特點：(1)強大處理能力：MSP430為16 位RISC 結構的CPU，其指令有豐富的尋址方式，但只需要簡潔的27 條基本指令。中斷源多并且可相互任意嵌套，使用方便。(2)超低功耗： V， V，在1 MHz時鐘工作時，工作電流只有250 uA；在不同的工作狀態(tài)下可選用不同的晶振，進一步降低功耗。(3)豐富的片上外圍資源：12 路對外的10 位A/D，兩個16 位定時器兼有多個捕獲/比較寄存器，硬件乘法器，16 位可工作于定時或看門狗模式的WDT，兩個可實現異步、同步及多址訪問的串行通信口。片內有1kbyteRAM，32kbyte Flash Memory。(4)方便高效的開發(fā)方式：有Flash Memory，利用單片機具有的JTAG接口或片內BOOT ROM，可以在一臺PC 機及一個結構小巧的JTAG 控制器的幫助下實現程序的下載調試。(5)可以利用匯編語言或C 語言進行程序設計，可以兩種語言結合設計程序，大大的提高軟件開發(fā)的工作效率，能夠合理的優(yōu)化程序結構，提高程序的可靠性、可讀性和可移植性。 CC2420射頻芯片CC2420 是CHIPCON 公司在2003 的無線收發(fā)芯片。芯片硬件支持CSMA/CA功能， ，數據速率達250 kbps，碼片速率達2 Mchip/s，傳輸距離最大200米。芯片內部集成可用于實現節(jié)點測距功能的數字RSSI模塊、電源監(jiān)控和信道變換等功能模塊，包含硬件MAC和CRC自動校驗處理。它采用OQPSK調制方式，具有94 dB接收靈敏度，抗鄰道干擾能力強(39 dB)，內部集成有VCO、LNA、PA以及低電壓供電(~ V)。該芯片的輸出功率是可編程控制的，并且硬件可支持自動幀格式生成、同步插入與檢測、ITU16CRC校驗、電源檢測和完全自動MAC層保護(CTR，CRCMAC，CCM)等功能。CC2420與微控制器的4線SPI通信接口，配置方便。該芯片體積小功率低，非常合適于家庭及樓宇自動化和工業(yè)監(jiān)控等應用系統。CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線和16 GHz頻段上工作。芯片只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發(fā)數據兩方面的工作。簡單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可以運用在非常廉價的設備上。其主要的功能引腳如表31所示[19]。表31 CC2420的功能引腳引腳引腳功能或狀態(tài)信息CS片選腳，低電平選中并使能CC2420SOSPI從機CC2420的數據輸出引腳SICC2420命令和數據輸入引腳SCKSPI總線工作時鐘,由CPU提供RESET上電后，低電平引起CC2420復位VREG高電平使能內部電壓調節(jié)器FIFORXFIFO中有數據時為高電平FIFOP接收完數據包或FIFO溢出時置位SFD數據包傳輸開始時為高電平，傳輸結束后變?yōu)榈碗娖紺CA為高電平表示當前信道可用RF_P, RF_N正極性(負極性)射頻輸入輸出引腳,接天線XOSC16_Q1/Q216M晶振時鐘輸入腳CC2420 內部集成了33個16 位配置寄存器，15個命令選通寄存器，128 字節(jié)的發(fā)送和接收緩沖區(qū)，以及速度高達10Mbit的SPI 接口等。它是專門針對無線傳感網絡設計的射頻通信芯片，能夠很好的滿足無線傳感器網絡的需求。 硬件電路設計 CC2420芯片的控制需要由一些外部元件來輔助完成。外圍電路設計主要包括三個重點部分，射頻接口電路、處理器接口電路和上層應用接口電路。射頻接口就是CC2420芯片射頻引腳與天線之間的電路，負責信號的發(fā)送和接收工作。圖31給出了CC2420外圍電路的一個實例。圖31 CC2420外圍電路CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA四個引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài)，而處理器通過SPI接口與CC2420交換數據和發(fā)送命令等。CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動了地址識別，并在地址識別失敗后，SFD引腳立即輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳是表示接