ZigBee無線網絡通信實訓系統

ZigBee無線網絡通信實訓系統是近幾年來國內外研究的熱點,WSN引起了世界上許多國家軍界、學術界和工業界的高度重視,其應用前景十分廣闊。無線傳感器網絡是指由大量無處不在的,具有通信與計算能力的微小傳感器節點密集分布在監控區域內而構成的根據環境自主完成指定任務的自治測控網絡系統。目前,在無線傳感器網絡中,短距離、低成本、低功耗的ZigBee技術是無線通信應用的首選技術之一。

1.ZigBee技術
ZigBee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,主要用于自動控制和遠程控制領域。其可工作在2.14GHz,868MHz和915MHz三個頻段上,分別具有*高250kbi/s20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率,它的傳輸距離在10-75m的范圍內,但可以繼續增加。作為一種無線通信技術,ZigBee具有如下特點
(1)低功耗:由于ZigBee的傳輸速率低,發射功率僅為1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee設備非常省電。ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,這是其他無線設備望塵莫及的。
(2)成本低:ZigBee模塊的初始成本在6美元左右,估計很快就能教導1.5-2.5美元,并且ZigBee協議是免*費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵因素。
(3)時延短:通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短,典型的搜索設備時延為30ms、休眠激活的時延是15ms,活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術設用于對時延要求苛刻的無線控制應用。
(4)網絡容量大:一個星型結構的ZigBee網絡*多可以容納254個從設備和一個主設備,一個區域內可以同時存在*多100個ZigBee網絡,而且網絡組成靈活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙,避開可發送數據的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸模式,每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。
(6)安全:ZigBee提供了基于循環冗余校驗的數據包完整性檢查功能,支持鑒權和認證,采用了AES-128的加密算法,各個應用可靈活確定其安全屬性。
2. ZigBee設備與網絡
ZigBee定義了兩種物理設備類型:全功能設備FFD(Full FunctionalDevice)和精簡功能設備RFD (Reduced Functional Device).其中FFD實現了全部功能,而RFD只是實現了部分功能。FFD設備之間以及FFD和RFD之間可以相互通信;但RFD只能和FFD設備通信,而不能與其它RFD設備通信, ZigBee規范根據設備所處的角色定義了三種邏輯設備類型ZigBee協調器(ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBeeRouter)和ZigBee終端設(ZigBee End Device),通常協調器和路由器節點一般由FFD功能設備構成,終端設備由RFD設備組成。ZigBee協調器負責建立和維護網絡,在每個網絡中有且只有一個;ZigBee路由器是中繼節點,可以選路并轉發數據;ZigBe。終端設備功能比較單一,往往只是發送和接收簡單信息。
ZigBee網絡根據應用的需要可以組織成星型網絡,也可以組織成點對點網絡,如圖1所示。在星型網絡中,所有設備都與中心設備PAN網絡協調器通信。在這種網絡中,網絡協調器一般使用持續電力系統供電,而其他設備采用電池供電。與星型網絡不同,點對點網絡只要彼此都在對方的無線輻射范圍之內,任何兩個設備之間都可以直接通信。點對點網絡也需要網絡協調器,負責實現管理鏈路狀態信息,認證設備身份等功能。

3.無線模塊硬件設計
這個系統主要由微處理器芯片和射頻芯片組成,如圖1所示。微處理器采用的是LPC2106,它是Philips公司開發的基于32位ARM7TDMI-S內核的低功耗ARM處理器。由于LPC2106非常小的尺寸和低功耗,它非常適合于那些小型化的應用, 多個UART、SPI到SSP和I2C總線組成的混合通信接口和片內的SRAM一起作用,可使得LPC2106非常適合用來實現通信網關和協議轉換器以及強大處理功能。射頻芯片采用的是Chipcon公司的2.4CHz的無線收發芯片CC2420,CC2420具有完全集成的壓控振蕩器,只需要有天線、16MHz晶體等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段上工作。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接,通過這個接口完成設置和收發數據兩方面的任務。

4、軟件設計
ZigBee無線傳感器網絡設備上的軟件主要是由嵌入式操作系統、ZigBee協議棧和應用程序組成的。嵌入式操作系統內核提供了簡單高效的任務調動、中斷處理和時間隊列管理等,還包括所有硬件的底層驅動。應用程序包括串口通信、射頻通信和信號強度檢測等。采用模塊化的設計協議棧,使得整個系統層次清楚,擴展性好,有利于ZigBee技術的二次開發。該協議棧在設計時主要劃分為3大部分:調度模塊、協議棧模塊和公共模塊。協議棧模塊符合ZigBee協議棧的分層結構,每層用一個模塊實現;調度模塊負責根據任務調用合適的協議棧模塊;計時模塊和存儲模塊為每個協議棧模塊提供公共操作。此外,還有一個共享緩沖區,用來存儲協議棧模塊和調度模塊交換的信息。
5小結
本文針對一種可應用于無線傳感器網絡的低速、低功耗、低成本的短距離無線通信ZigBee技術及其應用開展了研究和開發。設計了個基于低功耗ARM7系列微處理器的ZigBee無線通信模塊,由這些模塊組成的短距離無線傳感器網絡可以在一些多功能、處理性能要求高的無線傳感器網絡的應用場合中得到實際應用。

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