ZigBee无线网络通信实训系统

ZigBee无线网络通信实训系统是近几年来国内外研究的热点,WSN引起了世界上许多国家军界、学术界和工业界的高度重视,其应用前景十分广阔。无线传感器网络是指由大量无处不在的,具有通信与计算能力的微小传感器节点密集分布在监控区域内而构成的根据环境自主完成指定任务的自治测控网络系统。目前,在无线传感器网络中,短距离、低成本、低功耗的ZigBee技术是无线通信应用的首选技术之一。

1.ZigBee技术
ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,主要用于自动控制和远程控制领域。其可工作在2.14GHz,868MHz和915MHz三个频段上,分别具有*高250kbi/s20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。作为一种无线通信技术,ZigBee具有如下特点
(1)低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,功耗低,因此ZigBee设备非常省电。ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,这是其他无线设备望尘莫及的。
(2)成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能教导1.5-2.5美元,并且ZigBee协议是免*费的。低成本对于ZigBee也是一个关键因素。
(3)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短,典型的搜索设备时延为30ms、休眠激活的时延是15ms,活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术设用于对时延要求苛刻的无线控制应用。
(4)网络容量大:一个星型结构的ZigBee网络*多可以容纳254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在*多100个ZigBee网络,而且网络组成灵活。
(5)可靠:采取了碰撞避免策略,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开可发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。
(6)安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用了AES-128的加密算法,各个应用可灵活确定其安全属性。
2. ZigBee设备与网络
ZigBee定义了两种物理设备类型:全功能设备FFD(Full FunctionalDevice)和精简功能设备RFD (Reduced Functional Device).其中FFD实现了全部功能,而RFD只是实现了部分功能。FFD设备之间以及FFD和RFD之间可以相互通信;但RFD只能和FFD设备通信,而不能与其它RFD设备通信, ZigBee规范根据设备所处的角色定义了三种逻辑设备类型ZigBee协调器(ZigBee Coordinator), ZigBee路由器(ZigBeeRouter)和ZigBee终端设(ZigBee End Device),通常协调器和路由器节点一般由FFD功能设备构成,终端设备由RFD设备组成。ZigBee协调器负责建立和维护网络,在每个网络中有且只有一个;ZigBee路由器是中继节点,可以选路并转发数据;ZigBe。终端设备功能比较单一,往往只是发送和接收简单信息。
ZigBee网络根据应用的需要可以组织成星型网络,也可以组织成点对点网络,如图1所示。在星型网络中,所有设备都与中心设备PAN网络协调器通信。在这种网络中,网络协调器一般使用持续电力系统供电,而其他设备采用电池供电。与星型网络不同,点对点网络只要彼此都在对方的无线辐射范围之内,任何两个设备之间都可以直接通信。点对点网络也需要网络协调器,负责实现管理链路状态信息,认证设备身份等功能。

3.无线模块硬件设计
这个系统主要由微处理器芯片和射频芯片组成,如图1所示。微处理器采用的是LPC2106,它是Philips公司开发的基于32位ARM7TDMI-S内核的低功耗ARM处理器。由于LPC2106非常小的尺寸和低功耗,它非常适合于那些小型化的应用, 多个UART、SPI到SSP和I2C总线组成的混合通信接口和片内的SRAM一起作用,可使得LPC2106非常适合用来实现通信网关和协议转换器以及强大处理功能。射频芯片采用的是Chipcon公司的2.4CHz的无线收发芯片CC2420,CC2420具有完全集成的压控振荡器,只需要有天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段上工作。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器连接,通过这个接口完成设置和收发数据两方面的任务。

4、软件设计
ZigBee无线传感器网络设备上的软件主要是由嵌入式操作系统、ZigBee协议栈和应用程序组成的。嵌入式操作系统内核提供了简单高效的任务调动、中断处理和时间队列管理等,还包括所有硬件的底层驱动。应用程序包括串口通信、射频通信和信号强度检测等。采用模块化的设计协议栈,使得整个系统层次清楚,扩展性好,有利于ZigBee技术的二次开发。该协议栈在设计时主要划分为3大部分:调度模块、协议栈模块和公共模块。协议栈模块符合ZigBee协议栈的分层结构,每层用一个模块实现;调度模块负责根据任务调用合适的协议栈模块;计时模块和存储模块为每个协议栈模块提供公共操作。此外,还有一个共享缓冲区,用来存储协议栈模块和调度模块交换的信息。
5小结
本文针对一种可应用于无线传感器网络的低速、低功耗、低成本的短距离无线通信ZigBee技术及其应用开展了研究和开发。设计了个基于低功耗ARM7系列微处理器的ZigBee无线通信模块,由这些模块组成的短距离无线传感器网络可以在一些多功能、处理性能要求高的无线传感器网络的应用场合中得到实际应用。

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