無線傳感器網絡協調器的研究和設計

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。