來源：微計算機(jī)信息 作者：趙晨 何波 王睿

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)點的硬件構(gòu)成

2.1 典型的zigbee節(jié)點硬件

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�？刂破鞒洚�(dāng)spi主器件而rf收發(fā)器充當(dāng)從器件�？刂破鲗崿F(xiàn)了ieee 802.15.4 mac層和zigbee協(xié)議層。

在rf收發(fā)器上，本設(shè)計選用了chipcon公司的cc2420射頻收發(fā)器，它實現(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)點通道并可隨時擴(kuò)充，以及低耗電、250kbps傳輸速率、快速喚醒時間(<30ms)、csma-ca通道狀態(tài)偵測等特性。

2.2 zigbee節(jié)點硬件電路實現(xiàn)

cc2420只需要極少的外圍元器件, 其外圍電路包括晶振時鐘電路、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, 通過sfd管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘/ 定時信息的輸入。

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)送幀的時候置位了ack標(biāo)志位而且在一定的超時期限內(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)計使用星型