ZigBee技术作为新兴的无线网络技术,它具备网络自愈、网络自组织、短距离、低数据传输率、低成本、低功率和低复杂度等特色。在一个ZigBee的网络平台上,可以至多包含65000个数据节点,网络中任意两个数据节点之间都可以相互进行信息交流。作为一种新的近距离无线通讯技术,ZigBee对低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low Rate Wireless Personal Area Network)的发展起到了强有力的推动作用。现在,其在工业控制、智能家居、智能交通、智能农业、医疗护理、消费类电子和远程控制这些领域已经获得了广泛的应用,未来还将拥有更广阔的应用场景。本课题利用ZigBee来搭建一个无线的、多对一的控制网络,实现了由一个汇聚节点和多个终端节点组成的无线遥控系统。基于搭建的无线遥控系统,将汇聚节点作为一个数据出口,可以在这之上搭建丰富多彩的应用系统,例如表决系统,教学反馈系统,医院护理提示系统等。
1.2 开发平台介绍
开发的系统环境是Win7 SP1,使用的单片机的开发环境有Keil4 for C8051,IAR Embedded Workbench for MCS 51 8.10,模拟软件使用的是Proteus7.5。使用Proteus的一个弊端是没有CC2530类型的芯片,所以在模拟阶段使用的是C8051来代替。因为这两个芯片在寄存器,中断,I/O端口设置和使用上的不同,所以当将模拟的程序在真实的CC2530上使用时,又增加了两个芯片之间移植的过程。
1.3 ZigBee网络
本节首先对ZigBee协议栈的架构的各层次做相关介绍,然后从拓扑结构和应用场景这两个方面对ZigBee网络拓扑结构做出说明,最后介绍本系统选用的组网方案。
1.3.1 ZigBee协议栈架构
ZigBee协议栈标准的设计采用与TCP/IP协议标准一样的分层结构,ZigBee协议栈从底部到顶部,分别为物理层(PYH),媒体访问层(MAC),网络层(NWK)和应用层(APL)。协议栈中的网络层和应用层的开发制定由ZigBee联盟完成,而物理层和媒体访问层则由IEEE 802.15.4小组领导完成。图1-1所示为协议栈架构。
图1-1 ZigBee协议栈体系架构
ZigBee协议栈中各层协议之间的通讯是通过服务接点(SAP)来进行的,较高层可以连接到低层SAP及要求较低层提供服务,较低层也需要SAP来连接到上层来响应上层的请求。ZigBee协议栈为大多数协议层提供了两个接口,一个是为上层提供常规数据服务的数据实体接口,另一个是为上层协议提供参数配置存储和数据管理机制的管理实体接口。
1、物理层
物理层定义了位于MAC层和无线信道之间的一套服务接口,这套接口为物理层提供了数据和管理相关的服务,定义了无线射频的基本功能。它可以工作在分别位于2.4GHz频段和868MHz/915MHz频段中,其中2.4GHz是全球通用的免费频段,中国使用的就是此频段,而868MHz和915MHz只能分别在欧洲和美国使用。工作在2.4GHz频段,其传输率可达到250kps,拥有16个不同的工作信道。
物理层主要完成如下的任务:
1. 激活和关闭无线收发机;
2. 检测当前信道的能量指标;
3. 接收来自链路服务用来代表接收到的数据包质量的质量指示数据;
4. 为CSMS-CA机制做信道状态的评估(CCA):
5. 信道频率的选择;
6. 数据的传输与接受。
网络层选择哪个信道作为工作信道取决于信道能量检测的值,其范围为0x00~0xFF。物理层根据信道中信号的强度、链路的质量等相关信息,来为网络层应用层提供信号的强弱和质量好坏的信息。