LM3S9B96與CC2520平臺上的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)及應用

摘要：ZigBee技術(shù)是基于IEEE802．15．4的一種新興的短距離、低功耗、低成本和低速率的無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)。網(wǎng)絡節(jié)點作為無線傳感器網(wǎng)絡的物理載體，如何實現(xiàn)眾多網(wǎng)絡節(jié)點的智能化接入成為關(guān)鍵問題之一。本文提出了LM3S9B96+CC2520平臺上無線通信節(jié)點的智能化設計，分析了ZigBee無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)通信技術(shù)，并實現(xiàn)了智能泊車引導系統(tǒng)的應用。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；ZigBee；LM3S9B96；CC2520；CC2530

引言
    基于IEEE802．15．4標準的ZigBee短距離低速無線個域網(wǎng)(LR-WPAN)協(xié)議將低速率、低功耗、低成本作為主要研究目標，是目前無線傳感器網(wǎng)絡的重要支撐協(xié)議之一。針對ZigBee無線短距離低功耗解決方案，雖然目前已經(jīng)有好幾家大半導體公司設計、生產(chǎn)了相應的無線芯片并提供了對應的支持協(xié)議棧，但是目前的ZigBee網(wǎng)絡多是采用性能較低、存儲容量較小的8／16位微控制器來實現(xiàn)的。然而，ZigBee無線網(wǎng)絡的中心控制節(jié)點往往要分析、處理網(wǎng)絡中通信的大量數(shù)據(jù)，在一些對實時及高效率有嚴格要求的應用場合，有必要采用高性能的微處理器作為節(jié)點的數(shù)據(jù)處理單元。TI公司Stellaris MCU內(nèi)部擁有一個32位ARM Cortex-M3處理器核，ARM Cortex-M3核具有高速的處理速度且支持芯片廠商自己擴展豐富的外設，比如網(wǎng)口、USB口、LCD等。同時，Stellaris系列微控制器包含了100多種可以向全球供貨的32位ARM核的MCU。本文選用基于32位ARM Cottex-M3核的微控制器LM3S9B96作為無線芯片CC2520的微控制器單元構(gòu)成協(xié)調(diào)器節(jié)點，另將8051核的SoC CC2530芯片模塊作為終端采集節(jié)點。通過配置節(jié)點設備環(huán)境，實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議下的終端數(shù)據(jù)采集及星型、樹型下的無線組網(wǎng)通信功能，驗證了不同規(guī)格的ZigBee無線模塊在同一協(xié)議棧環(huán)境下能夠正常組網(wǎng)通信，廠商提供的不同ZigBee設備可進行互操作。

1 ZigBee應用體系結(jié)構(gòu)
    本平臺采用ZigBee標準技術(shù)，其具體應用體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，硬件實體層主要由處理器模塊、無線通信模塊構(gòu)成，區(qū)別于協(xié)調(diào)器或路由器的全功能設備，作為精簡功能設備的終端節(jié)點一般還需再配上傳感器硬件模塊以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；OSAL軟件功能模塊作為TIZ-Stack協(xié)議棧中的操作系統(tǒng)抽象層，統(tǒng)一管理協(xié)議棧的運行以及各種任務事件的響應；ZigBee協(xié)議棧運行于OSAL抽象系統(tǒng)之上，該協(xié)議棧是由層來量化表示其整個協(xié)議標準的，每一層負責完成所規(guī)定的任務，并且向上層提供相應的數(shù)據(jù)接口及服務；ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)主要由物理(PHY)層、媒體訪問控制(MAC)層、ZigBee網(wǎng)絡(NWK)層以及應用(APL)層構(gòu)成，其中物理層與媒體訪問控制層協(xié)議為IEEE 802．15．4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，而應用層的應用則根據(jù)用戶自己的應用需求進行開發(fā)利用。

    在應用系統(tǒng)設計過程中，考慮到LM3S9B96的優(yōu)良特性以及作為協(xié)調(diào)器對硬件節(jié)點的高性能要求，用該開發(fā)板來控制CC2520無線傳輸模塊，并把LM3S9B96+CC2520作為協(xié)調(diào)器節(jié)點，這也是TI公司提供的新的32位無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點方案。同時，將集成了一個8051核及射頻電路的CC2530無線模塊作為路由和終端節(jié)點，終端節(jié)點的傳感器則采用E18-D80NKDC-5V反射式接近開關(guān)傳感器，以此構(gòu)成ZigBee無線組網(wǎng)的硬件平臺。在ZigBee協(xié)議棧選擇方面，CC2520及CC2530使用的是TI公司設計的符合ZigBee2007／PRO標準系統(tǒng)的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack。Z-Stack是最新功能的協(xié)議棧產(chǎn)品，在互操作性、節(jié)點密度管理、數(shù)據(jù)負荷管理、頻率捷變等方面有重大進步，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡和低功耗等特點。在應用程序模塊中，通過E18-D80NKDC-5V反射式接近開關(guān)傳感器進行障礙物檢測，利用CC2530終端節(jié)點與LM3S9B96協(xié)調(diào)器進行ZigBee星型網(wǎng)通信，構(gòu)建了智能泊車引導系統(tǒng)。

2 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點結(jié)構(gòu)
2．1 硬件模塊介紹
    TI公司的CC2520、CC2530芯片是符合ZigBee技術(shù)的具有高集成度的無線射頻收發(fā)器件，CC2520和CC2530芯片的PHY與MAC層協(xié)議符合IEEE 802．15．4標準，模塊可工作在2 394～2 507 MHz的2．4 GHz ISM免費頻段。該頻段可提供16個物理通信信道，工作速率可達到250 kbps，碼片速率為2 Mchip／s。CC2520和CC2530無線芯片均是有著低功耗的特點，在接收數(shù)據(jù)幀時電流消耗僅為18．5 mA，其輸出功率編程可控，最大輸出功率可達5 dBm，此時電流消耗33．6 mA，支持IEEE802．15．4標準與ZigBee協(xié)議。芯片的RF電路部分還提供豐富的硬件功能支持，如封包處理、數(shù)據(jù)緩沖、爆發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗證、空閑信道評估、鏈路質(zhì)量指示和封包時間信息，可大幅減輕主機控制器的作業(yè)負荷。
    TI公司LM3S9B96微控制器內(nèi)含DMA、數(shù)字／模擬轉(zhuǎn)換器(DAC)和模擬／數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)等功能模塊且提供以太網(wǎng)、CAN及USB口通信，又兼具高性能及超低功耗的特點，能為ZigBee應用提供良好的硬件支持。無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的具體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．2 無線通信節(jié)點平臺分析
    通過了解IEEE802．15．4標準、ZigBee規(guī)范，并在此理論基礎(chǔ)上研究TI公司的標準ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，對其底層驅(qū)動、協(xié)議棧的初始化以及事件機制進行了研究與分析。LM3S9B96+CC2520節(jié)點作為當前較新的ZigBee節(jié)點平臺，基于任務調(diào)度機制，采用功能模塊化設計。
2．2．1 協(xié)調(diào)器的功能模塊配置
    LM3S9B96微控制器提供了3個UART通信口，在zstack_collector工程中選擇UART0作為串行通信端口。在系統(tǒng)時鐘配置上，為使協(xié)調(diào)器節(jié)點運行在50 MHz的頻率上，需使用PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán))進行系統(tǒng)時鐘4分頻配置。另外，程序中使用定時器timer0A與time0B以支持協(xié)議棧任務的運行。CC2520與LM3S9B96之間采用SPI接口，其他引腳配置為：FIFOP作為接收數(shù)據(jù)包判斷的重要引腳，對應開發(fā)板上的中斷引腳PC6；數(shù)據(jù)緩存判斷引腳FIFO則對應PC7。在接收模式下，當發(fā)生越界或幀接收完畢時，F(xiàn)IFOP引腳可以用來中斷微處理器，F(xiàn)IFO引腳可以用來判斷數(shù)據(jù)是否都處于接收FIFO中。CC2520與LM3S9B96微控制器的接口如圖3所示。

    CC2520利用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4個引腳查詢數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)，利用SPI接口(CSN、SO、SI、SCK)與LM3S9B96微控制器進行數(shù)據(jù)交換及命令傳送。另外，利用RSTn引腳復位芯片并使用VREG_EN引腳使能CC2520的電壓調(diào)整器，使其產(chǎn)生CC2520正常工作所需的電壓，CC2520的電壓規(guī)格范圍為1．8～3．8 V。本平臺的CC2520與CC2530使用單極天線進行通信。
2．2．2 協(xié)調(diào)器的軟件環(huán)境配置
    使用“#include"config／lm3s／f8wConfig．h"”與“#include"config／lm3s／f8wCoord. h"”將該工程配置為協(xié)調(diào)器工程項目。然后在ZigBee網(wǎng)絡設置上，通過“#define DEFAULT_CHANLIST 0x00000800”宏定義將物理信道配置為11，通過“#define ZDAPP_CONFIG_PAN_ ID0xFFFF”宏定義使得協(xié)調(diào)器運行時可自行設置PAN ID，若ZDAPP CONFIG_PAN_ID值不為0xFFFF時，PANID由其指定。ZigBee節(jié)點的2．4 GHz頻段有著良好的抗干擾性能，不同信道下的通信互不干擾。在組網(wǎng)過程中務必保證網(wǎng)絡節(jié)點擁有相同的PAN ID及物理信道，處在同一網(wǎng)絡下，否則將無法正常組網(wǎng)通信。

3 ZigBee無線組網(wǎng)研究
3．1 LM3S9B96+CC2520協(xié)調(diào)器的組網(wǎng)流程
    CC2520協(xié)調(diào)器軟件初始化的基本思路是：先對LM3S9B96與CC2520控制端口進行初始化；使能觸摸屏ADC通道，使能UART通信端口，使能SPI口，并通過SPI口按照CC2520芯片的操作時序初始化CC2520；操作系統(tǒng)抽象層加載協(xié)議棧運行任務，并提供信息管理、任務同步、時問管理、中斷管理、任務管理、內(nèi)存管理、電源管理以及非易失存儲管理等服務。開啟無線收發(fā)機后，就可以運行任務程序等待數(shù)據(jù)的收發(fā)。協(xié)調(diào)器設備的組網(wǎng)程序流程如圖4所示。

3．2 LM3S9B96+CC2520與CC2530組網(wǎng)研究
    ZigBee有著大規(guī)模的組網(wǎng)能力，每個網(wǎng)絡理論上最大可支持65 535個節(jié)點，本設計利用多達十幾個節(jié)點構(gòu)成ZigBee平臺，研究發(fā)現(xiàn)LM3S9B96與CC2530進行無線組網(wǎng)，必須具備以下幾個條件。
    (1)采用相同的標準協(xié)議棧
    因相同協(xié)議棧組網(wǎng)握手協(xié)議及流程一樣，要保證網(wǎng)絡中信息傳輸過程一致，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備之間只有采用相同的協(xié)議棧，才能實現(xiàn)互操作。在組網(wǎng)實驗中，統(tǒng)一采用了ZigBee 2007／PRO協(xié)議棧。
    (2)PAN ID號和信道的配置
    協(xié)調(diào)器和路由器、終端設備的PAN ID號必須保持一致，所采用的信道也必須相同。網(wǎng)絡設備的PANID號與ZDAPP_CONFIG_PAN_ID宏值的設置有關(guān)，若其值為0xFFFF，則協(xié)調(diào)器將產(chǎn)生一個隨機的PAN ID，而路由器和終端設備將在自己的信道上隨機選擇一個網(wǎng)絡加入，并以協(xié)調(diào)器的PAN ID作為自己的PAN ID；若其值介于0x3FFFF與0xFFFF之間，則協(xié)調(diào)器將根據(jù)自己的IEEE地址隨機產(chǎn)生一個PAN ID，而路由器和終端設備將以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID的值作為其PAN ID；若其值小于等于0x3FFFF，則協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備均會以ZDAPP_CONFIG_PAN_ID的值作為其PAN ID。2．4 GHz的射頻頻段被分為0x0B～0x1A共16個獨立的信道，在組網(wǎng)過程中，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設備必須采用相同的信道。
    (3)相應的事件處理機制
    CC2530芯片初始化完畢后，觸發(fā)ZB_ENTRY_EVENT事件啟動設備，該事件在用戶自定義的事件處理函數(shù)zb_Handle()salEvent()中被處理，調(diào)用zb_StartReqtaest()函數(shù)啟動路由器或者終端設備并加入LM3S9B96協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡。


    該函數(shù)主要用來處理3個網(wǎng)絡事件：
    ◆ZB_ENTRY_EVENT，負責啟動設備組建或加入ZigBee網(wǎng)絡。
    ◆MY_FIND_COLLECTOR_EVT，負責CC2530路由器、終端設備和LM359896協(xié)調(diào)器之間的綁定。
    ◆MY_REPORT_EVT，負責定時維護LM359896協(xié)調(diào)器和CC2530路由器、終端設備之間的父子關(guān)系。
    設備啟動完畢后，作為路由器或終端節(jié)點的設備將自動調(diào)用回調(diào)函數(shù)zb_StartConfirm()確認設備是否啟動成功，同時在函數(shù)內(nèi)部觸發(fā)設備綁定事件MY_FIND_COL_LECTOR_EVT。其核心代碼如下：

    CC2530路由器、終端設備和LM359B96+CC2520協(xié)調(diào)器完成設備綁定后，還必須定時觸發(fā)MY_REPORT_EVT事件，該事件負責每隔myReportPer iod時間(默認為2s)向LM359B96+CC2520協(xié)調(diào)器發(fā)送父子節(jié)點綁定關(guān)系的消息以維護父子關(guān)系，其發(fā)送消息的關(guān)鍵函數(shù)為zb_SendDataRequest()。
3．3 ZigBee平臺上智能泊車引導系統(tǒng)設計
    針對目前大中型停車場中普遍存在的停車難、收費麻煩等問題，在以LM3S9B96+CC2520為協(xié)調(diào)器、CC2530作為終端節(jié)點的ZigBee星狀網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了一個新型的停車場智能泊車引導系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用N18-D80NK反射式接近開關(guān)傳感器采集每個車位當前是否被占用的狀態(tài)信息，通過CC2530無線節(jié)點模塊利用ZigBee傳輸?shù)絃M3S9B96協(xié)調(diào)器。LM3S9B96協(xié)調(diào)器對信息匯總后進行初步處理，以UDP通信的形式與OMAP35 30嵌入式網(wǎng)關(guān)進行局域網(wǎng)通信，并在OMAP3530嵌入式網(wǎng)關(guān)的顯示屏上對當前所有車位狀態(tài)進行同步更新并顯示，以便車主能夠直觀地選擇空閑車位。同時，還在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上將OMAP3530的串口通信與短信查詢模塊集成在一起，實現(xiàn)了停車場空閑車位的短信查詢功能。系統(tǒng)也可以用LM3S9B96協(xié)調(diào)器上的網(wǎng)絡或USB口把采集的信息直接傳送給微機進行統(tǒng)計和管理。

結(jié)語
    LM3S9B96作為32位ARM Cortex-M3微處理器，在性能方面具有處理速度快、外圍接口豐富等優(yōu)勢，它與CC2520一起組成的協(xié)調(diào)器在ZigB ee無線組網(wǎng)方面有著廣闊的發(fā)展前景。本文在了解CC2530、CC2520等無線芯片的原理與技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了基于LM3S9B96+CC2520為協(xié)調(diào)器，CC2530為路由器或終端設備的無線組網(wǎng)方案。在ZigBee技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，相信LM3S9B96+CC2520平臺將會為解決ZigBee技術(shù)在實際應用中的問題帶來更大的自由度和選擇性。