基于CC2420的Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘  要：Zigbee是專(zhuān)為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本文介紹了基于IEEE 802.15.4的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議Zigbee的主要特征和應(yīng)用領(lǐng)域，并且根據(jù)其特點(diǎn)，利用單片機(jī)和Chipcon公司的CC2420實(shí)現(xiàn)了基于Zigbee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：IEEE 802.15.4 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 Zigbee  CC2420

    Zigbee是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Zigbee協(xié)議的一些應(yīng)用包括建筑自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)、建筑安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程抄表以及PC外設(shè)。與其他無(wú)線協(xié)議相比，Zigbee無(wú)線協(xié)議提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求，最重要的是它提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，并提供了三個(gè)工作頻帶，以及一些網(wǎng)絡(luò)配置和可選的安全功能。

1  Zigbee協(xié)議概述
1.1  IEEE 802.15.4
    Zigbee協(xié)議使用IEEE 802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE 802.15.4總共定義了3個(gè)頻帶：2.4GHz、915MHz和868MHz。每個(gè)頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz頻帶有16個(gè)信道（信道11－26）、915MHz頻帶提供10個(gè)信道（信道1－10）而868MHz頻帶提供1個(gè)信道（信道0）。

    協(xié)議的比特率由所選擇的工作頻率決定。2.4GHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為250kpbs，915MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為20kbps。由于數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)和處理延遲，實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)小于規(guī)定的比特率。

    IEEE 802.15.4 MAC數(shù)據(jù)包的最大長(zhǎng)度為127字節(jié)。每個(gè)數(shù)據(jù)包都由頭字節(jié)和16位CRC值組成。16位CRC值驗(yàn)證幀的完整性。此外，IEEE 802.15.4還可以選擇使用應(yīng)答數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。使用這種方法，所有特殊ACK標(biāo)志位置1的幀均會(huì)被它們的接收器應(yīng)答。這就可以確定幀實(shí)際上已經(jīng)被傳遞了。如果發(fā)送幀的時(shí)候置位了ACK 標(biāo)志位而且在一定的超時(shí)期限內(nèi)沒(méi)有收到應(yīng)答，發(fā)送器將重復(fù)進(jìn)行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無(wú)應(yīng)答就宣布發(fā)生錯(cuò)誤。注意接收到應(yīng)答僅僅表示幀被MAC層正確接收，而不表示幀被正確處理，這是非常重要的。接收節(jié)點(diǎn)的MAC 層可能正確地接收并應(yīng)答了一個(gè)幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應(yīng)用程序要求其他的應(yīng)答響應(yīng)。

1.2  網(wǎng)絡(luò)配置
    Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類(lèi)型的配置。

    星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備）和一個(gè)或多個(gè)終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。協(xié)調(diào)器是實(shí)現(xiàn)了一組很多Zigbee服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備（FFD）。終端設(shè)備可能是FFD或簡(jiǎn)化功能設(shè)備（RFD）。RFD是最小而且最簡(jiǎn)單的Zigbee節(jié)點(diǎn)。它只實(shí)現(xiàn)了一組最小的Zigbee服務(wù)。在星型網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個(gè)終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個(gè)終端設(shè)備，它會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收器終端設(shè)備。星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

             圖1  星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

    群集網(wǎng)絡(luò)配置也是Zigbee使用的一種網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)。在群集網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備既可以選擇和協(xié)調(diào)器通信，也可以和路由器（router）通信。路由器有兩個(gè)功能：一是增加網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，二是擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的物理范圍。有了路由器后，終端設(shè)備就不必安裝在協(xié)調(diào)器的有效射頻范圍內(nèi)。群集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

 
      圖2  群集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
     
    和任何網(wǎng)絡(luò)一樣，Zigbee網(wǎng)絡(luò)也是多點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)對(duì)通信介質(zhì)的訪問(wèn)是同等的。有兩種類(lèi)型的多點(diǎn)接入機(jī)制。在沒(méi)有使能信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，只有信道是空閑的，在任何時(shí)候都允許所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送。在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點(diǎn)在預(yù)定義的時(shí)隙內(nèi)進(jìn)行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會(huì)定期以一個(gè)標(biāo)知為信標(biāo)幀的超級(jí)幀開(kāi)始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)與此幀同步。在這個(gè)超級(jí)幀中為每個(gè)節(jié)點(diǎn)分配了一個(gè)特定的時(shí)隙，在該時(shí)隙內(nèi)允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級(jí)幀可能還含有一個(gè)公共時(shí)隙，在此時(shí)隙內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)接入信道。

1.3  數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制
    傳輸數(shù)據(jù)到終端設(shè)備和從終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的確切機(jī)制隨網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的不同而有所不同。在無(wú)信標(biāo)的星型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)終端設(shè)備想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，它只需等待信道變?yōu)榭臻e。在檢測(cè)到空閑信道條件時(shí)，它將幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器。如果協(xié)調(diào)器想要將此數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設(shè)備，它會(huì)將數(shù)據(jù)幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標(biāo)終端設(shè)備明確地來(lái)查詢(xún)?cè)摂?shù)據(jù)為止。此方法確保終端設(shè)備的接收器是被開(kāi)啟的，而且可從協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。

    在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須一直保持它們的接收器為開(kāi)啟狀態(tài)或者同意在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)開(kāi)啟它們的接收器。這將允許節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會(huì)被其它節(jié)點(diǎn)接收。

2  RF收發(fā)芯片CC2420
    CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

    CC2420只需要極少的外圍元器件,其典型應(yīng)用電路如圖3所示。
 
            圖3  CC2420典型應(yīng)用電路圖

    它的外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路三個(gè)部分。芯片本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。

    射頻輸入／輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入輸出阻抗,使其輸入輸出阻抗為５０Ω,同時(shí)為芯片內(nèi)部的PA及LAN提供直流偏置。CC2420可以通過(guò)４線SPI總線（SI、SO、SCLK、CSn）設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀／寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)，讀／寫(xiě)狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射／接收緩存器。注意：在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有３３個(gè)１６比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每個(gè)寄存器的讀／寫(xiě)周期中，SI總線上共有２４比特?cái)?shù)據(jù)，分別為：１比特RAM／寄存器選擇位（０：寄存器,１：RAM），１比特讀／寫(xiě)控制位（０：寫(xiě),１：讀），６比特地址選擇位、１６比特?cái)?shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中CSn必須始終保持低電平。另外，通過(guò)CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì)，通過(guò)SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時(shí)鐘／定時(shí)信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

    如前所述，CC2420是一款符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)芯片。CC2420硬件支持一部分IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀格式示如表1所示。 
 
                表1  數(shù)據(jù)通信幀格式

    同步頭包括前導(dǎo)序列和開(kāi)始幀分隔符。在CC2420中,前導(dǎo)序列長(zhǎng)度和開(kāi)始幀分隔符是可以配置的。默認(rèn)值4字節(jié)和1字節(jié)是符合IEEE802.15.4協(xié)議的。物理頭為1字節(jié)，幀控制和序列號(hào)分別為2字節(jié)和1字節(jié)，地址包括個(gè)人區(qū)域網(wǎng)身份識(shí)別號(hào)碼、目的地址和源地址共6字節(jié)，待發(fā)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為幀長(zhǎng)度減去地址和幀校驗(yàn)序列。當(dāng)MODEMCTRL0.AUTOCRC控制位置位時(shí)，這個(gè)幀校驗(yàn)序列自動(dòng)產(chǎn)生2字節(jié)，并由CC2420硬件自動(dòng)插入。

3  配置寄存器
    實(shí)際系統(tǒng)需要做以下配置：

   （1）CC2420內(nèi)部寄存器的設(shè)置：CC2420內(nèi)部有33個(gè)16位結(jié)構(gòu)寄存器和15個(gè)命令脈沖寄存器以及2個(gè)8位訪問(wèn)獨(dú)立的發(fā)射和接收緩沖器的RXFIFO、TXFIFO寄存器。這些寄存器在芯片復(fù)位時(shí)都已設(shè)置了一些初始值。例如：MDMCTRL0.AUTOCRC自動(dòng)循環(huán)冗余校驗(yàn)；IOCFG0.FIFOP_THR設(shè)置RXFIFO緩沖器中字節(jié)門(mén)限值；BATTMON.BATTMON_E電池監(jiān)控使能；TXCTRL.PA_LEVEL輸出功率編程(輸出功率單位為dBm)；IN0.XOSC16M_BYPASS使能外部晶體振蕩器等。實(shí)際使用時(shí),應(yīng)根據(jù)需要對(duì)初始值進(jìn)行修改。

  （2）初始化：定義信息包傳輸?shù)幕靖袷?；定義單片機(jī)和CC2420的端口；打開(kāi)電壓調(diào)節(jié)器，復(fù)位CC2420，開(kāi)啟晶體振蕩器，寫(xiě)入所有必須的寄存器和地址識(shí)別(為自動(dòng)地址識(shí)別準(zhǔn)備)，注意晶體振蕩器應(yīng)該一直處于工作狀態(tài)。寄存器設(shè)置如下：SXOSCON打開(kāi)晶體振蕩器；MDMCTRL0=0x0AF2打開(kāi)自動(dòng)應(yīng)答；MDMCTRL1=0x0500；設(shè)置關(guān)聯(lián)門(mén)限值為20；IOCFG0=0x007F設(shè)置FIFOP門(mén)限至最大值128；SECCTRL0=0x01C4關(guān)閉安全使能。

   （3）緩沖發(fā)送模式：使用IEEE802.15.4媒介訪問(wèn)控制層數(shù)字格式和短地址發(fā)送一個(gè)信息包。使能發(fā)送，當(dāng)信道評(píng)估顯示信道空閑時(shí)，使能校準(zhǔn)然后發(fā)送；當(dāng)沒(méi)有字節(jié)寫(xiě)入，TXFIFO緩沖器發(fā)出下溢指示狀態(tài)位和下溢脈沖，發(fā)送自動(dòng)停止。CTRL1.TX_MODE=0；STXON使能發(fā)送；STXONCCA信道估計(jì)顯示信道空閑，使能校準(zhǔn)然后發(fā)送；SFLUSHTX當(dāng)沒(méi)有字節(jié)寫(xiě)入，TXFIFO緩沖器發(fā)出下溢脈沖；TXCTL=0xA0FF發(fā)射最大電流為1.72mA。

   （4）緩沖接收模式：先使能信息包接收和FIFOP中斷，通過(guò)FIFOP中斷服務(wù)程序接收信息包，其中RXFIFO緩沖器溢出和不合法信息包格式都有中斷服務(wù)程序處理，信息包接收采用CC2420自動(dòng)應(yīng)答。寄存器設(shè)置如下：DMCTRL1.RX_MODE=0；SRXON使能接收；SFLUSHRXRXFIFO緩沖器溢出，復(fù)位解調(diào)器；RXCTRL0=0x12E5低噪聲放大器增益中等。

4    結(jié)論
    筆者在實(shí)現(xiàn)此系統(tǒng)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議的性能是制約無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。另外，制作電路板時(shí)，應(yīng)采用四層板，外圍器件盡量小（采用0402封裝），耦合電容盡量靠近芯片，以提高系統(tǒng)性能。

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