作者：梁光勝，劉丹娟，郝福珍

目前GSM和3G等無線移動通信技術以及藍牙、WiFi、Ad-hoc等無線局域網技術應用日益廣泛，但其設備系統(tǒng)復雜，功耗較大、成本很高，不適合應用在一些低數(shù)據速率和通信范圍較小的場合，如傳感器網絡、家庭自動化以及玩具等領域。ZigBee網絡在通信過程中只需一個網絡協(xié)調者，用以建立網絡并管理和協(xié)調整個網絡的數(shù)據傳輸，而無需成本高昂、體積龐大的基站。該網絡協(xié)調者既是網絡中的主節(jié)點，又可作為網絡與其他有線或無線網絡互連的網關節(jié)點。ZigBee是一種低復雜度、低功耗和低成本的低速率無線連接技術，基于ZigBee技術的無線系統(tǒng)的開發(fā)應用已成為研究熱點。

1 ZigBee技術

ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線組網通信技術。它是一種介于無線標記技術與藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它有自己的無線標準，通過數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調來實現(xiàn)通信。這些傳感器只需很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據從一個傳感器傳送到另一個傳感器，所以通信效率非常高。ZigBee是一個由多達65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網絡平臺，類似移動通信的CDMA網或GSM網。其中每一個ZigBee網絡數(shù)傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡范圍內，它們之間可以進行相互通信；整個ZigBee網絡還可以與現(xiàn)有的其他各種網絡連接。

2 ZigBee無線網絡節(jié)點的硬件設計

2．1 硬件系統(tǒng)總體設計

圖l為ZigBee無線網絡節(jié)點的硬件系統(tǒng)總體框圖，該系統(tǒng)由CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成。CC2430射頻器件模塊由CC2430器件和相關外圍電路構成。雖然CC2430內部集成有無線收發(fā)器和805l內核，可以簡化電路設計，在單片機和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經測量發(fā)現(xiàn)，兩個網絡節(jié)點在空曠地面的通信距離是lO～100 m，這個距離有時不能滿足應用需要。在CC2430器件與天線之間加一級接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據傳送距離。

2．2 CC2430器件模塊

CC22430器件模塊的電路原理如圖2所示。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復位電路。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供，這里由內部電路提供，需外加晶體振蕩器和 2個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。R2和R3為偏置電阻，電阻R3主要用來為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。用1個32 MHz的石英諧振器（X1）和2只電容（C9和C10）構成1個32 MHz的晶振電路。用1個32．768 kHz的石英諧振器（X2）和2個電容（C7和C8）構成1個32．768 kHz的晶振電路。CC2430射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是115+j180 Ω，阻抗匹配電路應根據該數(shù)值進行調整。設計采用50Ω單極子天線，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路 （平衡／非平衡轉換電路）完成雙端口到單端口的轉換。巴倫電路由電感（L1、L2，L3）和電容（C15、C17、C26）構成。

CC2430內部使用1．8 V工作電壓，適合于電池供電的設備，外部數(shù)字I／O接口使用3．3 V電壓，以保持和3．3 V邏輯器件兼容。CC2430片上集成有自流穩(wěn)壓器，能將3．3 V電壓轉換為1．8 V電壓，這樣只有3．3 V電源的設備無需外加電壓轉換電路就能正常工作。C1、C11、C15等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高器件的工作穩(wěn)定性。

2．3 無線收發(fā)模塊

CC2430發(fā)送數(shù)據時，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經巴倫電路變?yōu)閱味诵盘枺?RXTX_SWITCH信號控制2個邏輯開關，選通功率放大電路（PA），放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經低噪聲放大電路（LNA） 放大，巴倫電路轉換，由RF_P、RF_N端口接收。圖3為無線收發(fā)模塊與CC2430的連接框圖。

無線收發(fā)模塊的電路原理如圖4所示。該電路主要由2個邏輯開關電路、功率放大電路（PA）、低噪聲功率放大電路（LNA）、阻抗匹配電路、電源濾波電路及偏置電路組成。功率放大電路采用Bubec公司的功放UP2202V，該器件由3．3 V電源供電，與CC2430供電電源相同，無需另外設計電源電路，l dB壓縮點輸出功率為23 dBm，線性增益為26 dB，內部輸入已匹配到50Ω。

低噪聲功率放大電路采用Bubec公司的UA2723，該器件采用3．3 v電源供電，內部輸入輸出均已匹配到50 Ω，設計時無需阻抗匹配，頻率范圍是0．05～4 GHz，在2．2 GHz時功率增益是20 dB，在2．5 GHz時1 dB壓縮點輸出功率大于-1．5 dBm。

為了保證低噪聲功率放大器的靈敏度，3.3 V電源經Richtek公司的超低噪聲，低靜態(tài)電流電源調整器RT919333PB調整后再送給UA2723，如圖5所示。

3 ZigBee無線網絡節(jié)點的軟件設計

3．1 ZigBee協(xié)議棧

ZigBee協(xié)議由一組子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務；數(shù)據實體提供數(shù)據傳輸服務；管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供一系列基本服務指令來完成相應的功能。

ZigBee協(xié)議棧的體系結構包括：ZigBee應用層、ZigBee網絡層、IEEE．802．15．4 MAC層和IEEE802．15．4 PHY層。IEEE．802．15．4 2003標準定義最下面的2層：物理層（PHY）和介質接入控制層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網絡層和應用層（APL）框架的設計。其中應用層框架主要包括3部分：應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和由制造商制定的應用對象。

3．2 ZigBee信道分配

ZigBee的通信頻率在物理層規(guī)范，在不同的國家或區(qū)域ZigBee提供了不同的工作頻率范圍，其所使用的頻率范圍為2．4 GHz和816／915 MHz。因此，在ZigBee中定義2．4 GHz和816／915 MHz 2個物理層標準，它們都基于直接序列擴頻（DSSS） 技術。

這里采用全球統(tǒng)一的2．4 GHz波段，無須申請ISM頻段，適合ZigBee設備推廣及降低生產成本。2．4 GHz物理層采用16相調制技術，能夠提供250 kb／s的傳輸速率，提高數(shù)據吞吐量，縮短通信時延和數(shù)據收發(fā)時間，降低功耗。

3．3 網絡的建立與加入

ZigBee設備通過NLME-NETWORK-FORMATION．request原語來啟動一個新網絡的建立過程。僅當具有ZigBee協(xié)調器能力且當前無與網絡連接的設備，才可嘗試建立一個新網絡。如果此過程由其他設備開始，則網絡層管理實體將終止該過程，并向其上層發(fā)出非法請求報告。

該步驟通過發(fā)出狀態(tài)參數(shù)為INVAUD_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION．confirm原語來完成。只有當設備為 ZigBee協(xié)調器或路由器時，才能試圖允許設備與網絡的連接?？赏ㄟ^NLME-PERMIT- JOINING．request原語允許連接。

3．4 數(shù)據的發(fā)送與接收

發(fā)送數(shù)據時，首先按照協(xié)議中規(guī)定的幀形式構建幀數(shù)據。幀數(shù)據包括幀頭和幀內容。其中幀頭包括幀類型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID 等信息。幀構建好后調用MAC層的原語MCPS-DATA．request，并將接收到的結果通過MCPS-DATA．confirm返回。在Z- Stack中，數(shù)據的發(fā)送和接收都必須通過應用層調用。應用層提供的Flash發(fā)送函數(shù)，其程序如下：

為了接收數(shù)據，設備必須打開其接收機。上層使用NLME-SYNC．request原語初始化設備，打開其接收機，該原語將引起網絡層使用 MLME-POLL．request原語對其父設備進行輪詢。ZigBee協(xié)調器或路由器的網絡層必須在最大程度上保證任何時間接收機總是處于接收狀態(tài)。

網絡層使用NLDE-DATA．indication原語向其高層表明所接收到的數(shù)據幀。一旦接收到幀信息，網絡層數(shù)據實體將會檢查幀控制域中安全子域的值。如果該值不為零，則網絡層數(shù)據實體將把該幀傳送到安全服務提供單元，并根據所指定的安全標準對其進行安全處理。

接收到Flash發(fā)送方式的數(shù)據后，網絡層會根據發(fā)送的數(shù)據計算小燈閃爍的數(shù)據間隔，其源函數(shù)程序如下：

4 結束語

將本文所設計的ZigBee無線網絡節(jié)點應用于軍用車載記錄儀，用來向基站傳送車的速度，油量，水溫，行駛路程等數(shù)據。經測量，在距離基站292 m以內的地方，數(shù)據能準確地傳送到基站，基本達到了預定設計目標。

ZigBee網絡節(jié)點設計簡單、開銷小、應用范圍廣，適用于家庭自動化、健康醫(yī)療服務、無線自動讀表系統(tǒng)、智能小區(qū)、無線傳感器網絡、無線工業(yè)控制、智慧型標簽等領域。例如在精確農業(yè)領域，傳統(tǒng)農業(yè)使用孤立的、無通信能力的機械設備，主要依靠人力檢測作物的生長狀況，而采用傳感器和ZigBee網絡后，農業(yè)將逐漸轉向以信息和軟件為中心的生產模式，使用更多的自動化、網絡化、智能化和遠程控制的設備來耕種。

責任編輯：gt