基于EM250的ZigBee無線傳感器網絡解決方案

本文介紹了ZigBee的協議框架、各層的功能及ZigBee無線網絡的組成，闡述了基于Ember公司EM250片上系統的無線傳感器網絡解決方案，對系統的硬軟件組成及設計進行了仔細的說明。

ZigBee協議框架

ZigBee協議是一種低成本、低功耗、低速率嵌入式設備互相間及與外界網絡通信的組網解決方案，它是ZigBee聯盟基于IEEE 802.15.4技術標準物理層和媒體訪問控制層（MAC層）協議對網絡層協議和API進行標準化而制定的無線局域網組網、安全和應用軟件方面的技術標準

ZigBee協議棧結構如圖1所示

ZigBee協議物理層和媒體訪問控制層采用了IEEE 802.15.4 2003協議規范物理層無線頻段為全世界通用的 2.4GHz、歐洲適用的868MHz、美國適用的915MHz，使用直接序列擴頻技術，提供27個信道，20Kb/s、40Kb/s、250Kb/s三種數據速率用于數據收發物理層功能包括了激活和休眠射頻收發器、信道能量檢測、信道接收數據包的鏈路質量指示、空閑信道評估、收發數據等

圖1 ZigBee協議棧結構

ZigBee的MAC層負責設備間無線數據鏈路的建立、維護和結束，確認模式的數據傳送和接收，采用載波偵聽多址/沖突避免接入方式，數據包的最大長度為127字節，每個數據包均由頭字節和16位CRC校驗值組成

網絡層為ZigBee協議棧的核心部分，實現節點接入或離開網絡、路由查找及傳送數據等功能，支持星形、樹形、網絡三種拓撲結構，網絡拓撲結構根據具體的ZigBee應用來選擇節點按功能分為全功能設備(FFD)、簡化功能設備(RFD)、協調器(ZCRD)和路由器，協調器與路由器通常也是全功能設備

ZigBee的應用層包括了應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和制造商制訂的應用對象應用支持子層負責維護綁定表，根據服務和需求在兩個綁定實體間傳遞信息ZDO負責定義設備節點在網絡中的角色，并負責網絡設備的發現，決定提供何種應用服務，還負責初始化或響應綁定請求及建立網絡設備間安全關系

ZigBee網絡采用多點接入，有使能信標網絡或不使能信標網絡兩種類型使能信標的網絡中，協調器在預定義的時隙周期性發送信標幀用于節點關聯、加入網絡、同步傳送數據在不使能信標的網絡中，協調器也周期性發送信號，但這只用于終端設備并檢測協調器的存在，設備要隨時準備好進行點對點通信，通過發送數據請求和應答進行通信

ZigBee支持兩種類型的數據格式：KVP關鍵值對及MSG消息幀一般KVP幀采用命令響應機制，用于傳輸一個簡單的屬性變量值；而MSG幀還沒有一個具體格式上的規定，通常用于多信息，復雜信息的傳輸，其支持二進制數據傳輸，數據大小受支持的幀大小限制

圖2 參考設計功能圖

在安全方面，ZigBee采用IEEE 802.15.4媒體訪問控制子層的安全模型，其規范了四個方面的安全服務，即訪問控制、數據加密、幀完整性檢查及采用順序更新值防止幀重放

ZigBee單芯片方案――EM250

EM250是Ember公司推出的ZigBee片上系統，它集成了一個符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz射頻收發器和一個功能強大的高速率16位微處理器，支持網絡級的調試，系統的軟件開發簡便微處理器主頻為12MHz，滿足作為協調器、全功能設備或簡化功能設備的要求

圖3 協調器軟件功能模塊設計

EM250可以進入三種不同的狀態：工作狀態、待機狀態和深度睡眠狀態在工作狀態時可執行程序代碼，典型情況電流為8.5mA在待機狀態，處理器不再工作，但允許中斷喚醒，外圍器件及射頻收發器正常工作在深度睡眠狀態，處理器和射頻收發器都不再工作，直至有外部中斷或定時中斷喚醒，典型情況電流僅為1.5μA深度睡眠狀態不適用于全功能設備，但對于簡化功能設備節省耗電而言，則必不可少