1 概 述
無線通信的方式有多樣，與藍牙、Wi-Fi、GSM移動通信方式相比，ZigBee聯盟制定的 ZigBee方式具有功耗低、數據傳輸可靠、兼容性好、實現成本低以及組網方便的優點，非常適合低速率傳輸的無線傳感器網絡。ZigBee聯盟成立于 2001年，2002年Invensys公司、三菱電氣公司、摩托羅拉公司以及飛利浦半導體公司加盟，現在正迅速發展壯大。該聯盟在基于IEEE 802．15．4的PHY層、MAC層及數據鏈路層之上，研究開發適合無線傳感器網絡的其他高層協議。
物理層的2個標準是2．4 GHz和868／915 MHz，都基于直接序列擴頻DSSS(Direct Sequence Spread Spec-trum)技術，使用相同的物理層數據包格式。2．4 GHz波段為全球統一的無需申請的ISM頻段，有助于ZigBee設備的推廣和生產成本的降低。它的物理層通過采用16相高階調制技術能夠提供250 kb／s的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時延和更短的工作周期，從而更加省電。
ZigBee聯盟定義了兩種物理設備類型：全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡功能設備RFD(Re-duced Function Device)。ZigBee網絡的星型拓撲結構通常由1個FFD和若干RFD組成。FFD充當網絡協調器功能，其他設備只與協調器通信，由協調器決定處理要做的事情。如果某個終端設備需要傳輸數據到另一個終端設備，它會把數據發送給協調器，然后由協調器將數據轉發到目標接收器終端設備。通過FFD接力傳送，網絡又可以擴展成其他拓撲結構，如圖1所示。
隨著ZigBee的研究發展，2005年，各大芯片制造商紛紛推出了符合ZigBee標準的收發模塊和通信套件，但是目前只有挪威Chip-con公司 (CC2420/CC2430和CC2500／CC2550等)、美國Freescale Semiconductor公司(MC13192和MC13193)、美國CompXs公司(ML7065)和美國Ember公司(EM2420)四個原始設備生產商(OEM)的ZigBee套件符合聯盟規定的標準。2007年德州儀器(TI)宣布推出ZigBee協議棧(Z-Stack)的免費下載版本。
2 設計與調試
2．1 研究目標
網絡協調器的主要功能是協調建立網絡，其他功能還包括：傳輸網絡信標、管理網絡節點及存儲網絡節點信息，并且提供關聯節點之間的路由信息；此外，網絡協調器要存儲一些基本信息，如節點數據設備、數據轉發表及設備關聯表等。
問題是，目前ZigBee協議主要在低端8位或16位單片機上實現。對于網絡協調器節點而言，其數據處理能力不強，且限于自身的硬件資源，很少能實現良好的人機交互界面。對功能要求較高的ZigBee協調器，這種構架很難滿足應用的需求。而基于PC機的網絡協調器節點，不但體積大、價格高而且功耗大，對于傳輸率不大的傳感器網絡來說十分浪費資源，所以開發基于ARM系列嵌入式芯片為核心微處理器的網絡協調器是很有必要的。實驗基于星型結構，在實現RFD功能的基礎上，開發基于ARM9嵌入式的網絡協調器，提供3．5英寸TFTLCD觸摸屏作為人機交互，顯示其他各節點的工作狀況、測試參數情況，為日后高級應用提供平臺。
2．2 協調器硬件結構
本設計射頻芯片選用挪威Chipcon公司的CC2420(2．4 GHz，支持250 kb／s數據傳輸率)。微處理器采用S3C2440嵌入式工業級芯片。硬件框圖如圖2所示，ARM(左)+RFD(右)=ARM嵌入式網絡協調器。
2．3 協調器軟件結構
采用嵌入式Linux操作系統，在TI公司ZigBee協議棧基礎上，在原Bootloader、Kernel上修改文件系統，添加GUI應用程序，并修改系統啟動腳本使應用程序在系統啟動時自運行。網絡協調器的實現過程中使用多線程技術，串口數據收發、GUI顯示與按鈕響應、ZigBee節點掉線檢測3 個線程并發，提高系統響應速度。軟件結構如圖3所示。
2．4 系統數據流程
MAC幀格式由以下基本部分組成：
①MAC層頭幀(MAC Header，MHR)，包含幀控制域、序列號和地址信息；
②MAC凈載荷(長度可變)，包含的信息指定了幀的類型；
③MAC層幀尾(MAC footer，MFR)，包含了一個幀校驗序列。
其中，MHR有固定的順序，并不是所有的幀都包含地址域。一般的MAC幀格式如圖4所示。
2．5 系統ZigBee幀格式的定義與分析
在RFD的設計中，ZigBee設備采用16位短地址，負載來自光敏電阻的采樣電壓值，為2字節，FCS由CC2420自動校驗。所以，本設計中使用的幀長度為15字節。定義ZigBee幀的數據格式如下：
將RFD節點和PC通過串口連接起來，通過串口調試助手可以觀察到類似下列格式的幀：
41 88 0A 01 OO 01 OO 00 OO 00 00 E2 03 F9 EB
前2字節(88 41)為幀控制域，第3字節(OA)為幀序列號，4～5字節(00 01)為目的地址的PAN ID，6～7字節為目的地址(00 01)，8～9字節(00 00)為源地址的PAN ID，10～11字節(00 00)為源地址，12～13字節(03E2)為負載，14～15字節(F9 EB)為校驗位。
2．6 協調器的數據流程和軟件流程
通過天線接收RFD傳輸過來的數據幀，經過CC2420自動校驗。若無誤則經過解碼、譯碼，然后經過SPI接口送往ATmega128L，再經過串口UART1送往S3C2440，經數據處理后顯示于相應的LCD觸摸屏上。協調器軟件流程如圖5所示。
3 實驗結果
當有兩個RFD進入網絡協調器的監測范圍，LCD中便顯示兩個綠色小球，以及相應的地址、數據等信息。同理，當移開或停止RFD工作，兩個綠色小球便同時從LCD中消失。
4 總 結
本設計參考TI公司的ZigBee協議棧，在完成RFD功能后加入ARM9芯片及外圍電路擴展成為無線傳感器網絡協調器。此協調器功能豐富：LED可指示工作狀態，處理器可提高運算速度，LCD可人機交互，網口可連接Internet。所以不但可提升網絡的整體性能，還為日后應用提供了基礎。傳感器網絡的應用前景非常廣闊，能夠廣泛應用于軍事、環境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態監控、復雜機械監控、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業園區的安全監測等領域。隨著傳感器網絡的深入研究和廣泛應用，傳感器網絡將逐漸深入到人類生活的各個領域。
