??? Zigbee是為低速率控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。Zigbee協(xié)議的一些應(yīng)用包括建筑自動化網(wǎng)絡(luò)、建筑安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、遠程抄表以及PC 外設(shè)。與其他無線協(xié)議相比，Zigbee無線協(xié)議提供了低復(fù)雜性、縮減的資源要求，最重要的是它提供了一組標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范，并提供了三個工作頻帶，以及一些網(wǎng) 絡(luò)配置和可選的安全功能。

1? Zigbee協(xié)議概述
1.1? IEEE 802.15.4
??? Zigbee協(xié)議使用IEEE 802.15.4規(guī)范作為介質(zhì)訪問層（MAC）和物理層（PHY）。IEEE 802.15.4總共定義了3個頻帶： 2.4GHz、915MHz和868MHz。每個頻帶提供固定數(shù)量的信道。例如，2.4GHz頻帶有16個信道（信道11－26）、915MHz頻帶提供 10個信道（信道1－10）而868MHz頻帶提供1個信道（信道0）。

??? 協(xié)議的比特率由所選擇的工作頻率決定。2.4GHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為250kpbs，915MHz頻帶提供的數(shù)據(jù)速率為20kbps。由于數(shù)據(jù)包開銷和處理延遲，實際的數(shù)據(jù)吞吐量會小于規(guī)定的比特率。

??? 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。這就可以確定幀實際上已經(jīng)被傳遞 了。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)進行固定次數(shù)的發(fā)送，如仍無應(yīng)答就宣布發(fā)生錯誤。注意接收到應(yīng)答僅僅表示幀被MAC層正確接收， 而不表示幀被正確處理，這是非常重要的。接收節(jié)點的MAC 層可能正確地接收并應(yīng)答了一個幀，但是由于缺乏處理資源，該幀可能被上層丟棄。因此，很多上層和應(yīng)用程序要求其他的應(yīng)答響應(yīng)。

1.2? 網(wǎng)絡(luò)配置
??? Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)可采用多種類型的配置。

??? 星型網(wǎng)絡(luò)配置由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點（主設(shè)備）和一個或多個終端設(shè)備（從設(shè)備）組成。協(xié)調(diào)器是實現(xiàn)了一組很多Zigbee服務(wù)的一種特殊的全功能設(shè)備 （FFD）。終端設(shè)備可能是FFD或簡化功能設(shè)備（RFD）。RFD是最小而且最簡單的Zigbee節(jié)點。它只實現(xiàn)了一組最小的Zigbee服務(wù)。在星型 網(wǎng)絡(luò)中，所有的終端設(shè)備都只與協(xié)調(diào)器通信。如果某個終端設(shè)備需要傳輸數(shù)據(jù)到另一個終端設(shè)備，它會把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器依次將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)接收 器終端設(shè)備。星型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。
?
???????????? 圖1? 星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

??? 群集網(wǎng)絡(luò)配置也是Zigbee使用的一種網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)。在群集網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備既可以選擇和協(xié)調(diào)器通信，也可以和路由器（router）通信。路由器有兩 個功能：一是增加網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量，二是擴大網(wǎng)絡(luò)的物理范圍。有了路由器后，終端設(shè)備就不必安裝在協(xié)調(diào)器的有效射頻范圍內(nèi)。群集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

?
????? 圖2? 群集網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)
????
??? 和任何網(wǎng)絡(luò)一樣，Zigbee網(wǎng)絡(luò)也是多點接入網(wǎng)絡(luò)，這意味著網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點對通信介質(zhì)的訪問是同等的。有兩種類型的多點接入機制。在沒有使能信標(biāo)的網(wǎng) 絡(luò)中，只有信道是空閑的，在任何時候都允許所有節(jié)點發(fā)送。在使能了信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，僅允許節(jié)點在預(yù)定義的時隙內(nèi)進行發(fā)送。協(xié)調(diào)器會定期以一個標(biāo)知為信標(biāo)幀的 超級幀開始發(fā)送，并且希望網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點與此幀同步。在這個超級幀中為每個節(jié)點分配了一個特定的時隙，在該時隙內(nèi)允許節(jié)點發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。超級幀可能還 含有一個公共時隙，在此時隙內(nèi)所有節(jié)點競爭接入信道。

1.3? 數(shù)據(jù)傳輸機制
??? 傳輸數(shù)據(jù)到終端設(shè)備和從終端設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的確切機制隨網(wǎng)絡(luò)類型的不同而有所不同。在無信標(biāo)的星型網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)終端設(shè)備想要發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，它只需等待信道變?yōu)?空閑。在檢測到空閑信道條件時，它將幀發(fā)送到協(xié)調(diào)器。如果協(xié)調(diào)器想要將此數(shù)據(jù)發(fā)送到終端設(shè)備，它會將數(shù)據(jù)幀保存在其發(fā)送緩沖器中，直到目標(biāo)終端設(shè)備明確地 來查詢該數(shù)據(jù)為止。此方法確保終端設(shè)備的接收器是被開啟的，而且可從協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)。

??? 在點對點網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點必須一直保持它們的接收器為開啟狀態(tài)或者同意在一個時間段內(nèi)開啟它們的接收器。這將允許節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀并確保數(shù)據(jù)幀會被其它節(jié)點接收。

2? RF收發(fā)芯片CC2420
??? CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。該器件是第一款適用于Zigbee產(chǎn)品的 RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，以0.18um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低。 CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持數(shù)據(jù)傳輸率高達250kbps，可以實現(xiàn)多點對多點的 快速組網(wǎng)。

??? CC2420只需要極少的外圍元器件,其典型應(yīng)用電路如圖3所示。
??
??????????? 圖3? CC2420典型應(yīng)用電路圖

??? 它的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,使其輸入輸出阻抗為５０Ω,同時為芯片內(nèi)部的PA及LAN提供直流偏置。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。注意：在SPI總線接口上進行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先的。CC2420片內(nèi)有３３個１６比特狀態(tài)設(shè)置寄存器，在每 個寄存器的讀／寫周期中，SI總線上共有２４比特數(shù)據(jù)，分別為：１比特RAM／寄存器選擇位（０：寄存器,１：RAM），１比特讀／寫控制位（０：寫, １：讀），６比特地址選擇位、１６比特數(shù)據(jù)位。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。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連來實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。

??? 如前所述，CC2420是一款符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的RF收發(fā)芯片。CC2420硬件支持一部分IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀格式。數(shù)據(jù)幀格式示如表1所示。?
??
??????????????? 表1? 數(shù)據(jù)通信幀格式

??? 同步頭包括前導(dǎo)序列和開始幀分隔符。在CC2420中,前導(dǎo)序列長度和開始幀分隔符是可以配置的。默認值4字節(jié)和1字節(jié)是符合IEEE802.15.4協(xié) 議的。物理頭為1字節(jié)，幀控制和序列號分別為2字節(jié)和1字節(jié)，地址包括個人區(qū)域網(wǎng)身份識別號碼、目的地址和源地址共6字節(jié)，待發(fā)數(shù)據(jù)段長度為幀長度減去地 址和幀校驗序列。當(dāng)MODEMCTRL0.AUTOCRC控制位置位時，這個幀校驗序列自動產(chǎn)生2字節(jié)，并由CC2420硬件自動插入。

3? 配置寄存器
??? 實際系統(tǒng)需要做以下配置：

1. CC2420內(nèi)部寄存器的設(shè)置：CC2420內(nèi)部有33個16位結(jié)構(gòu)寄存器 和15個命令脈沖寄存器以及2個8位訪問獨立的發(fā)射和接收緩沖器的 RXFIFO、TXFIFO寄存器。這些寄存器在芯片復(fù)位時都已設(shè)置了一些初始值。例如：MDMCTRL0.AUTOCRC自動循環(huán)冗余校驗； IOCFG0.FIFOP_THR設(shè)置RXFIFO緩沖器中字節(jié)門限值；BATTMON.BATTMON_E電池監(jiān)控使能； TXCTRL.PA_LEVEL輸出功率編程(輸出功率單位為dBm)；IN0.XOSC16M_BYPASS使能外部晶體振蕩器等。實際使用時,應(yīng)根據(jù) 需要對初始值進行修改。
2. 初始化：定義信息包傳輸?shù)幕靖袷剑欢x單片機和CC2420的端口；打開 電壓調(diào)節(jié)器，復(fù)位CC2420，開啟晶體振蕩器，寫入所有必須的寄存器和地址識別(為自動地址識別準(zhǔn)備)，注意晶體振蕩器應(yīng)該一直處于工作狀態(tài)。寄存器設(shè) 置如下：SXOSCON打開晶體振蕩器；MDMCTRL0=0x0AF2 打開自動應(yīng)答；MDMCTRL1=0x0500；設(shè)置關(guān)聯(lián)門限值為20；IOCFG0=0x007F設(shè)置FIFOP門限至最大值128；SECCTRL0 =0x01C4關(guān)閉安全使能。
3. 緩沖發(fā)送模式：使用IEEE802.15.4媒介訪問控制層數(shù)字格式和短地 址發(fā)送一個信息包。使能發(fā)送，當(dāng)信道評估顯示信道空閑時，使能校準(zhǔn)然后發(fā)送；當(dāng)沒有字節(jié)寫入，TXFIFO緩沖器發(fā)出下溢指示狀態(tài)位和下溢脈沖，發(fā)送自動 停止。CTRL1.TX_MODE=0；STXON使能發(fā)送； STXONCCA信道估計顯示信道空閑，使能校準(zhǔn)然后發(fā)送；SFLUSHTX當(dāng)沒有字節(jié)寫入，TXFIFO緩沖器發(fā)出下溢脈沖；TXCTL=0xA0FF 發(fā)射最大電流為1.72mA。
4. 緩沖接收模式：先使能信息包接收和FIFOP中斷，通過FIFOP中斷服務(wù) 程序接收信息包，其中RXFIFO緩沖器溢出和不合法信息包格式都有中斷服務(wù)程序處理，信息包接收采用CC2420自動應(yīng)答。寄存器設(shè)置如 下：DMCTRL1.RX_MODE=0；SRXON使能接收； SFLUSHRXRXFIFO緩沖器溢出，復(fù)位解調(diào)器；RXCTRL0=0x12E5低噪聲放大器增益中等。

4??? 結(jié)論
??? 筆者在實現(xiàn)此系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)，無線網(wǎng)絡(luò)的鏈路層、應(yīng)用層協(xié)議的性能是制約無線傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵因素。另外，制作電路板時，應(yīng)采用四層板，外圍器件盡量?。ú捎?402封裝），耦合電容盡量靠近芯片，以提高系統(tǒng)性能。

參考文獻
[1]?? 孫利民,李建中,陳渝,朱紅松.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].清華大學(xué)出版社,2005.2.
[2]?? 牟連佳,牟連泳.無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究.工業(yè)控制計算機,2005,18(1):3～5
[3]? 鄭霖,曾志民,萬濟萍,王建明.基于 IEEE802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感器技術(shù),2005.24(7):86-88
[4]? IEEE802.15.4: Wireless Medium Access Control(MAC) and Physcial Layer(PHY) specifications for Low-rate Wireless PersonalArea Networks(LR-WPANs)[S].
[5]? Chipcon AS SmartRF CC2420 Preliminary Datasheet(rev1.2),2004.6.9.