基于射頻芯片CC2420的ZigBee無線通信設(shè)計(jì)

摘要：本文簡要介紹了ZigBee技術(shù)，詳細(xì)的說明了針對使用PIC18系列單片機(jī)為控制器、CC2420為RF收發(fā)器的ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件組成，并從ZigBee通信協(xié)議及協(xié)議棧的構(gòu)架等方面闡述了ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：ZigBee，CC2420，通信協(xié)議，協(xié)議棧

0 引言

    為滿足小型、低成本設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)要求，2000年12月IEEE成立了IEEE802.15.4工作組，致力于定義一種適于固定、便攜或移動設(shè)備使用的極低復(fù)雜度、成本和功耗的低速率無線連接技術(shù)——ZigBee技術(shù)。本文針對使用PIC18系列單片機(jī)及CC2420為RF收發(fā)器，從ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面，介紹了ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的組成。

1 ZigBee技術(shù)簡介

    2002年8月ZigBee聯(lián)盟成立，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司組成。IEEE802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)于2003年5月獲得批準(zhǔn)。

    ZigBee技術(shù)的物理層和鏈路層協(xié)議主要采用IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee聯(lián)盟負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)，以及制定其安全協(xié)議和市場推廣等。IEEE802.15.4定義了兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2.4GHz物理層和868/915 MHz物理層。兩個物理層都基于DSSS直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式。ZigBee在2.4 GHz頻段有16個信道，能夠提供250 kb/s的傳輸速率，采用O-QPSK調(diào)制；915 MHz和868 MHz分別是歐洲和美國的ISM 頻段，這兩個頻段的引入避免了2.4 GHz附近各種無線通信設(shè)備的相互干擾。在916MHz頻段有10個信道，傳輸速率為是40 kb/s，在868 MHz頻段只有一個信道，傳輸速率為20 kb/s，這兩個頻段都采用BPSK調(diào)制。

2 ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成

2.1 典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件

    ZigBee協(xié)議棧對系統(tǒng)微處理器的要求有：8位微處理器；完全的協(xié)議棧：ROM<32K；簡單功能節(jié)點(diǎn)協(xié)議棧：ROM約6K；協(xié)調(diào)器還需要足夠的RAM，用于保存節(jié)點(diǎn)器件數(shù)據(jù)庫、傳輸路由表等。

    可供選用的單片機(jī)種類較多，本設(shè)計(jì)所選用的是PIC18系列的單片機(jī)，因此要創(chuàng)建典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)至少必須具備以下組件：一片帶SPI接口的PIC18F單片機(jī)；一個帶有所需外部元件的RF收發(fā)器；一根天線，可以是PCB上的引線形成的天線或單極天線。ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)成如圖1所示，控制器通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)器相連。控制器充當(dāng)SPI主器件而RF收發(fā)器充當(dāng)從器件。控制器實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4 MAC層和ZigBee協(xié)議層。

    在RF收發(fā)器上，本設(shè)計(jì)選用了Chipcon公司的CC2420射頻收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)議的物理層(PHY)及媒體訪問控制器(MAC)層，具備65,000個節(jié)點(diǎn)通道并可隨時(shí)擴(kuò)充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時(shí)間(<30ms)、CSMA-CA通道狀態(tài)偵測等特性。

2.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件電路實(shí)現(xiàn)

    CC2420只需要極少的外圍元器件, 其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部分。芯片本振信號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匹配芯片的輸入輸出阻抗。CC2420可以通過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/ 寫緩存數(shù)據(jù),讀/ 寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/ 接收緩存器。在數(shù)據(jù)傳輸過程中CSn必須始終保持低電平。另外, 通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計(jì), 通過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。

    如圖2所示，為CC2420的外圍電路及與PIC18系列單片機(jī)的連接方式。此外，CC2420需要3.3V的電源電壓，可以選用PIC18系列單片機(jī)中的低壓型號，使控制器和RF收發(fā)器均使用3.3V電源電壓。

3 ZigBee通信協(xié)議

3.1 IEEE 802.15.4MAC數(shù)據(jù)包

    在本文的第一部分，已經(jīng)對IEEE 802.15.4規(guī)范做了介紹，以下補(bǔ)充MAC層數(shù)據(jù)包的部分內(nèi)容。IEEE 802.15.4 MAC數(shù)據(jù)包的最大長度為127字節(jié)，每個數(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的幀均會被它們的接收器應(yīng)答。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，如仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯誤。

3.2 網(wǎng)絡(luò)配置與網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)

    ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的網(wǎng)絡(luò)配置。本設(shè)計(jì)使用星型網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)通信。星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（主設(shè)備）和一個或多個終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。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。

    根據(jù)系統(tǒng)需求，協(xié)調(diào)器會在非易失性存儲器中存儲所有網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)，稱為鄰接表。為了連接到網(wǎng)絡(luò)，終端設(shè)備可能執(zhí)行孤立通知過程來查找先前與之關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)或者執(zhí)行關(guān)聯(lián)過程來加入一個新網(wǎng)絡(luò)。在執(zhí)行孤立通知過程的情況下，協(xié)調(diào)器將通過查找其鄰接表來識別先前與之關(guān)聯(lián)的終端設(shè)備。

3.3 端點(diǎn)、接口及端點(diǎn)綁定

    典型的ZigBee節(jié)點(diǎn)可支持多種特性和功能，為了便于在I/O節(jié)點(diǎn)和兩個控制器節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所有節(jié)點(diǎn)中的應(yīng)用程序必須保存多個數(shù)據(jù)鏈路。為了減少成本，ZigBee節(jié)點(diǎn)僅使用一個無線信道來和多個端點(diǎn)/ 接口來創(chuàng)建多條虛擬鏈路或信道,每個端點(diǎn)總共有8個接口。

    在星型網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備總是只與協(xié)調(diào)器通信，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將端點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)包從一個節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到接收終端設(shè)備的相應(yīng)端點(diǎn)。所以，當(dāng)建立一個新的網(wǎng)絡(luò)時(shí)，必須告知協(xié)調(diào)器如何創(chuàng)建源端點(diǎn)和目標(biāo)端點(diǎn)之間的鏈路，ZigBee協(xié)議使用了一個稱為端點(diǎn)綁定的特殊過程來實(shí)現(xiàn)鏈路的連接。

3.4 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)類型的不同而有所不同。在無信標(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)備明確地來查詢該數(shù)據(jù)為止。

4 協(xié)議棧構(gòu)架

    在本設(shè)計(jì)中，我們的協(xié)議棧是使用C語言編寫的，協(xié)議棧使用內(nèi)部閃存程序存儲器來存儲可配置的MAC地址、網(wǎng)絡(luò)表和綁定表，因此，必須使用可自編程的閃存存儲器單片機(jī)。

用戶應(yīng)用程序		ZigBee設(shè)備對象
應(yīng)用層	應(yīng)用支持子層
網(wǎng)絡(luò)層
MAC層
物理層

 

 

圖3 協(xié)議棧構(gòu)架

 
    圖3為協(xié)議棧構(gòu)架，協(xié)議棧根據(jù)ZigBee規(guī)范的定義將其邏輯分為多個層。實(shí)現(xiàn)每個層的代碼位于一個獨(dú)立的源文件中，而服務(wù)和應(yīng)用程序接口（API）則在頭文件中定義。要實(shí)現(xiàn)抽象性和模塊性，頂層總是通過定義完善的API和緊接著的下一層進(jìn)行交互，該層的C頭文件定義該層所支持的所有API。 用戶應(yīng)用程序總是與應(yīng)用支持子層（APS）和應(yīng)用層（APL）交互。典型的應(yīng)用程序總是與應(yīng)用層（APL）和應(yīng)用支持子層（APS）接口，APL模塊提供高級

    協(xié)議棧管理功能，用戶應(yīng)用程序使用此模塊來管理協(xié)議棧功能。

    APS層主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。應(yīng)用程序?qū)⑹褂迷搶哟蜷_或關(guān)閉一個或多個端點(diǎn)并且獲取或發(fā)送數(shù)據(jù)。它還為鍵值對（KVP）和報(bào)文（MSG）數(shù)據(jù)傳輸提供了原語。當(dāng)首次對協(xié)調(diào)器編程時(shí)綁定表為空，主應(yīng)用程序必須調(diào)用正確的綁定API來創(chuàng)建新的綁定項(xiàng)。APS還有一個間接發(fā)送緩沖器RAM，用來存儲間接幀，直到目標(biāo)接收者請求這些幀為止。MAC_MAX_ DATA _REQ_PERIOD編譯時(shí)間選項(xiàng)定義了確切的請求時(shí)間。節(jié)點(diǎn)請求數(shù)據(jù)時(shí)間越長，數(shù)據(jù)包需要保存在間接發(fā)送緩沖器里的時(shí)間也越長，數(shù)據(jù)請求時(shí)間越長需要的間接緩沖空間越大。

    網(wǎng)絡(luò)層（NWK）負(fù)責(zé)建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，它獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求。ZigBee設(shè)備對象（ZDO）負(fù)責(zé)接收和處理遠(yuǎn)程設(shè)備的不同請求。介質(zhì)訪問控制（MAC）層實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4規(guī)范所要求的功能，并負(fù)責(zé)同物理（PHY）層進(jìn)行交互。

5 結(jié)束語

    ZigBee是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，ZigBee協(xié)議的一些應(yīng)用包括建筑自動化網(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)。本文針對使用PIC18系列單片機(jī)及CC2420為RF收發(fā)器，從ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面，介紹了ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)的組成。

    本文作者創(chuàng)新點(diǎn):將最新的ZigBee技術(shù)使用PIC18系列單片機(jī)及CC2420為RF收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了無線通信，并從ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件及ZigBee通信協(xié)議和協(xié)議棧方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

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