基于CC2430的ZigBee无线网络节点设计

3 ZigBee无线网络节点的软件设计

3．1 ZigBee协议栈

ZigBee协议由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务；数据实体提供数据传输服务；管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入点(SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供一系列基本服务指令来完成相应的功能。

ZigBee协议栈的体系结构包括：ZigBee应用层、ZigBee网络层、IEEE．802．15．4 MAC层和IEEE802．15．4 PHY层。IEEE．802．15．4 2003标准定义最下面的2层：物理层(PHY)和介质接入控制层(MAC)。ZigBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中应用层框架主要包括3部分：应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和由制造商制定的应用对象。

3．2 ZigBee信道分配

ZigBee的通信频率在物理层规范，在不同的国家或区域ZigBee提供了不同的工作频率范围，其所使用的频率范围为2．4 GHz和816／915 MHz。因此，在ZigBee中定义2．4 GHz和816／915 MHz 2个物理层标准，它们都基于直接序列扩频(DSSS) 技术。

这里采用全球统一的2．4 GHz波段，无须申请ISM频段，适合ZigBee设备推广及降低生产成本。2．4 GHz物理层采用16相调制技术，能够提供250 kb／s的传输速率，提高数据吞吐量，缩短通信时延和数据收发时间，降低功耗。

3．3 网络的建立与加入

ZigBee设备通过NLME-NETWORK-FORMATION．request原语来启动一个新网络的建立过程。仅当具有ZigBee协调器能力且当前无与网络连接的设备，才可尝试建立一个新网络。如果此过程由其他设备开始，则网络层管理实体将终止该过程，并向其上层发出非法请求报告。

该步骤通过发出状态参数为INVAUD_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION．confirm原语来完成。只有当设备为 ZigBee协调器或路由器时，才能试图允许设备与网络的连接。可通过NLME-PERMIT- JOINING．request原语允许连接。

3．4 数据的发送与接收

发送数据时，首先按照协议中规定的帧形式构建帧数据。帧数据包括帧头和帧内容。其中帧头包括帧类型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID 等信息。帧构建好后调用MAC层的原语MCPS-DATA．request，并将接收到的结果通过MCPS-DATA．confirm返回。在Z- Stack中，数据的发送和接收都必须通过应用层调用。应用层提供的Flash发送函数，其程序如下：

为了接收数据，设备必须打开其接收机。上层使用NLME-SYNC．request原语初始化设备，打开其接收机，该原语将引起网络层使用 MLME-POLL．request原语对其父设备进行轮询。ZigBee协调器或路由器的网络层必须在最大程度上保证任何时间接收机总是处于接收状态。

网络层使用NLDE-DATA．indication原语向其高层表明所接收到的数据帧。一旦接收到帧信息，网络层数据实体将会检查帧控制域中安全子域的值。如果该值不为零，则网络层数据实体将把该帧传送到安全服务提供单元，并根据所指定的安全标准对其进行安全处理。

接收到Flash发送方式的数据后，网络层会根据发送的数据计算小灯闪烁的数据间隔，其源函数程序如下：



4 结束语

将本文所设计的ZigBee无线网络节点应用于军用车载记录仪，用来向基站传送车的速度，油量，水温，行驶路程等数据。经测量，在距离基站292 m以内的地方，数据能准确地传送到基站，基本达到了预定设计目标。

ZigBee网络节点设计简单、开销小、应用范围广，适用于家庭自动化、健康医疗服务、无线自动读表系统、智能小区、无线传感器网络、无线工业控制、智慧型标签等领域。例如在精确农业领域，传统农业使用孤立的、无通信能力的机械设备，主要依靠人力检测作物的生长状况，而采用传感器和ZigBee网络后，农业将逐渐转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备来耕种。

作者：梁光胜，刘丹娟，郝福珍 华北电力大学
来源：电子设计工程