一种ZigBee网络的设计与实现

由于ZigBee网络的终端设备节点由电池供电，因此低功耗是一个必须的要求。Freescale公司是ZigBee联盟的重要成员和ZigBee技术的市场推广者，为ZigBee提供“一站式”的解决方案，包括完全符合IEEE802.15.4规范的射频芯片MC13192/3，以及针对该市场推出的超低功耗控制器系列：基于 S08核的超低功耗8位单片机MC9S08GX系列和32位的ColdFire521X系列。本文采用MC13192作为RF射频模块，网络终端节点和网络协调者的主控MCU分别使用MC9S08GT60和CF5213。
MC13192是一种短距离、低功耗，工作在2.4GHz ISM（Industrial、Scientific、Medical）频段的无线收发器。它含有完全符合IEEE802.15.4标准的物理层模块，可用于P2P、star和mesh网络。配上一款合适的MCU后，可提供一种性价比极高的短距离数据链路层和网络层的解决方案。MC13192与MCU的接口简单，只需四线的SPI：一个IRQ中断请求线和三个控制线。MCU对MC13192的配置和控制命令通过SPI进行。
4 硬件设计和实现
4.1 终端节点模块硬件设计
网络终端节点主要由下列部件组成：低功耗微控制器 MC9S08GT60，射频通信模块，由电源电路、复位电路及晶振电路组成的支撑电路，以及两个串行通信接口。终端节点可通过串行通信接口与PC通讯，下载写入程序，配置数据等。负责无线通信的射频通信模块采用的射频芯片是MC13192。
GT60的CPU采用HCS08 核，最高总线频率可达40MHz；增加了16位指令，能灵活方便的访问 16位HX寄存器。同时支持1个WAIT和3 个STOP模式，对低功耗模式提供更全面的支持。GT60的存储器具有60K的FLASH和4K的片上RAM，足够容纳完整的Zigbee协议栈。另外它还具有背景调试模块：能利用单线对HCS08核的系列MCU进行方便地写入和调试，加快开发的速度且大大降低了调试的难度。
GT60和MC13192的接口电路有8根线：4线的SPI接口用于相互通信，一根中断线和3根控制线。SPI通信时，MC13192只能作为从机，因此对于MCU而言，MOSI线是发送数据线而MISO线是接收数据线，SPI的同步时钟由GT60在SPSCK管脚上给出，连接到MC13192的SPICLK上。MC13192上产生的所有中断事件，通过芯片上的IRQ管脚连接到GT60的IRQ管脚上。ATTN管脚用于MCU将MC13192从低功耗模式下唤醒，而RXTXEN管脚则用来使能MC13192的收发器。在通常情况，为了降低功耗，射频芯片的收发器都是关闭的，只有在发送和接收数据的时候才使能，这样能大大降低射频芯片的功耗。当射频芯片工作异常的时候，MCU也可以通过RSTB管脚来硬件复位射频芯片。这3根控制线都由GT60的GPIO口来进行控制，需要指出的是PTE4和PTE6必须用10KΩ的电阻上拉，防止毛刺来干扰MC13192的正常工作。图3为线路连接的逻辑示意图。

4.2网络协调者硬件设计
网络协调者的硬件结构框图如图4所示。主要由MCU CF5213及支撑电路和外部模块组成。CF5213的支撑电路包括电源电路，晶振电路和复位电路。串行通信接口主要用来进行通讯和配置数据的设置，而液晶模块则用来实时反映协调者当前的网络状态。射频通信模块则负责网络协调者与网络终端节点及其它网络协调者的无线通信。
网络协调者的MCU是32位的Coldfire5213。CF5213具有多种低功耗模式，成本十分低廉，用于价格比较敏感的低端控制场合。它带有MAC单元的V2核，CPU在80MHz的工作频率下达到66MIPS；32K字节的片上SRAM，256K字节的片上FLASH；12位精度的ADC模块；带有缓冲队列的SPI模块；支持最多达63个中断源的中断控制器；具有方便的背景调试模块；另外它还有丰富的第三方RTOS支持。

CF5213和射频通信模块中MC13192的接口电路与终端节点的MCU和MC13192的接口电路类似，只需将通用I/O端口做相应的修改即可，在此不再细述。
4.3 射频电路
射频芯片MC13192的支撑电路包括电源电路，滤波电路和晶振电路，其逻辑连接如图5。VBATT和VDDINT是电源输入引脚，MC13192的正常工作电压为2.0-3.6V。VDDA，VDDLO1和VDDLO2为经过整流的模拟电压。VDD为经过内部整流的数字电压。VDDVCO为VCO电路供电。XTAL1和XTAL2外接16MHz的专用于2.4GHz射频电路的晶振。

5 软件结构
如图6所示，软件设计分为三层：系统平台层、协议层和应用层，为此定义了3个API接口：HW-API、SYS-API和PS-API。HW-API定义了硬件的寄存器映射，这样就能通过直接访问硬件寄存器来控制硬件。系统平台层通过SYS-API接口来给协议层提供服务。应用层通过PS-API来调用协议层提供的服务。

系统平台层建立在μC/OS-II实时操作系统上，为协议层提供系统服务。一般来说，由于ZigBee网络终端节点要求很强的成本控制，可以不使用RTOS。而对于网络协调