一種ZigBee網絡的設計與實現
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無線傳感器網絡（Wireless Sensor Network,WSN）被認為是21世紀最重要的技術之一[1]。無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者[2]。傳感器、感知對象和觀察者構成了傳感器網絡的三個要素。目前用于設計無線傳感器網絡的主流網絡協議有Bluetooth，ZigBee和UWB等[3]。相對于現有的無線通信技術，ZigBee是一種新興的近距離、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，主要用于無線近距離連接。ZigBee 網絡主要應用在智能家居、家庭護理、安全系統和工業監控等領域。
本文在簡要介紹無線傳感器網絡的通信協議IEEE 802.15.4和ZigBee技術的基礎上，采用Freescale公司提供的完全符合IEEE802.15.4規范的射頻芯片MC13192，以及超低功耗控制器MC9S08GT60和CF5213，設計實現了符合ZigBee協議的網絡終端節點和網絡協調者。
2 無線傳感器網絡的通信協議
隨著通信技術的迅速發展，人們提出了在自身附近幾米范圍之內通信的要求，這樣就出現了個人區域網絡（Personal Area Network，PAN）和無線個人區域網絡（Wireless Personal Area Network，WPAN）的概念。WPAN網絡為近距離范圍內的設備建立無線連接，把幾米范圍內的多個設備通過無線方式連接在一起，使它們可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
2.1 IEEE 802.15.4
IEEE 802.15.4標準是針對于低速無線個人區域網（Low-Rate Wireless Personal Area Network,LR-WPAN），把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標，旨在為個人或者家庭范圍內不同設備之間低速互連提供統一的標準[4]。
在IEEE 802.15.4網絡中，根據設備所具有的通信能力，可以分為全功能設備（Full-Function Device，FFD）和精簡功能設備（Reduced-Function Device，RFD）。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。在網絡中，被稱為PAN網絡協調者（PAN Coordinator）的FFD設備，是LR-WPAN的網絡中的主控制器。PAN網絡協調者除了直接參與應用以外，還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。圖1 是IEEE802.15.4網絡的一個例子，給出了網絡中各種設備的類型以及它們在網絡中所處的地位。
IEEE 802.15.4網絡協議棧基于開放系統互連模型（OSI），每一層都實現一部分通信功能，并向高層提供服務。IEEE 802.15.4標準只定義了物理（PHY）層和數據鏈路層的MAC子層。PHY層由射頻收發器以及底層的控制模塊構成。MAC子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。
2.2 ZigBee技術
ZigBee是一種供廉價的固定、便攜或移動設備使用的極低復雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術，這個名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag 形狀的舞蹈來分享新發現的食物源的位置、距離和方向等信息。該技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入在各種設備中，同時支持地理定位功能，十分適合用作于無線傳感器網絡的通信協議[5]。
完整的ZigBee 協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee 聯盟制定，IEEE負責制定物理（PHY）層和媒體控制（MAC）層的協議。ZigBee聯盟成立于2 0 0 2 年8 月，由英國Invensys 公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉（現Freescale）公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成，如今已經吸引了上百家芯片公司、無線設備公司和開發商的加入。
3 ZigBee 網絡總體設計方案
本方案設計一個ZigBee星型網絡，由一個網絡協調者和若干個網絡終端節點構成。網絡協調者負責網絡的管理工作，而終端節點一方面采集模擬數據，同時把這些模擬數據通過無線網絡發送給協調者。
圖2大致描述了本方案的實現效果：在PAN協調者的無線覆蓋范圍之內，布置若干（小于255）個網絡終端節點，實現網絡的管理和相互通信。
由于ZigBee網絡的終端設備節點由電池供電，因此低功耗是一個必須的要求。Freescale公司是ZigBee聯盟的重要成員和ZigBee技術的市場推廣者，為ZigBee提供“一站式”的解決方案，包括完全符合IEEE802.15.4規范的射頻芯片MC13192/3，以及針對該市場推出的超低功耗控制器系列：基于 S08核的超低功耗8位單片機MC9S08GX系列和32位的ColdFire521X系列。本文采用MC13192作為RF射頻模塊，網絡終端節點和網絡協調者的主控MCU分別使用MC9S08GT60和CF5213。
MC13192是一種短距離、低功耗，工作在2.4GHz ISM（Industrial、Scientific、Medical）頻段的無線收發器。它含有完全符合IEEE802.15.4標準的物理層模塊，可用于P2P、star和mesh網絡。配上一款合適的MCU后，可提供一種性價比極高的短距離數據鏈路層和網絡層的解決方案。MC13192與MCU的接口簡單，只需四線的SPI：一個IRQ中斷請求線和三個控制線。MCU對MC13192的配置和控制命令通過SPI進行。
4 硬件設計和實現
4.1 終端節點模塊硬件設計
網絡終端節點主要由下列部件組成：低功耗微控制器 MC9S08GT60，射頻通信模塊，由電源電路、復位電路及晶振電路組成的支撐電路，以及兩個串行通信接口。終端節點可通過串行通信接口與PC通訊，下載寫入程序，配置數據等。負責無線通信的射頻通信模塊采用的射頻芯片是MC13192。
GT60的CPU采用HCS08 核，最高總線頻率可達40MHz；增加了16位指令，能靈活方便的訪問 16位HX寄存器。同時支持1個WAIT和3 個STOP模式，對低功耗模式提供更全面的支持。GT60的存儲器具有60K的FLASH和4K的片上RAM，足夠容納完整的Zigbee協議棧。另外它還具有背景調試模塊：能利用單線對HCS08核的系列MCU進行方便地寫入和調試，加快開發的速度且大大降低了調試的難度。
GT60和MC13192的接口電路有8根線：4線的SPI接口用于相互通信，一根中斷線和3根控制線。SPI通信時，MC13192只能作為從機，因此對于MCU而言，MOSI線是發送數據線而MISO線是接收數據線，SPI的同步時鐘由GT60在SPSCK管腳上給出，連接到MC13192的SPICLK上。MC13192上產生的所有中斷事件，通過芯片上的IRQ管腳連接到GT60的IRQ管腳上。ATTN管腳用于MCU將MC13192從低功耗模式下喚醒，而RXTXEN管腳則用來使能MC13192的收發器。在通常情況，為了降低功耗，射頻芯片的收發器都是關閉的，只有在發送和接收數據的時候才使能，這樣能大大降低射頻芯片的功耗。當射頻芯片工作異常的時候，MCU也可以通過RSTB管腳來硬件復位射頻芯片。這3根控制線都由GT60的GPIO口來進行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必須用10KΩ的電阻上拉，防止毛刺來干擾MC13192的正常工作。圖3為線路連接的邏輯示意圖。
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