融合GPRS技术的ZigBee无线网络

3．2 本文GPRS-ZigBee混合系统网络协调器节点的硬件设计
为了实现本网络节点的设计，将本节点的硬件设计分为四个模块，一个是ZigBee无线收发模块，一个是GPRs收发模块，ZigBee模块功能由Chipcon公司的CCl0O0无线收发芯片实现，GPRS模块功能由英国Simcom公司的GPRS模块SIM300实现，主控模块由Atmel公司的微型处理器At-Megal28控制，另外有由MCP2515和MCP255l组成的CAN总线控制接口，可帮助调试的串口和用于数据快速上传下载的USB接口。为了获得较远的传输距离，本混合系统的ZigBee无线收发模块采用868MHz的收发频率，测试单元采用与计算机相连的868MHz无线收发单元。

电路电源模块采用GPRS模块常用的MIC29302和SPXll17，分别提供4．2V稳压和3．3V稳压，无线收发模块芯片CCll00的电源滤波电路根据Chipcon公司提供的滤波电容电阻电感组合设计，对于不同的收发频率有不同的元件组合，入网指示有LED显示。天线采用和频率对应的棒状天线，并且PCB板做有金属外壳以符合EMC要求。
CCl000是一种理想的超高频收发芯片，它专用于低功率和低电压类无线产品，此IC主要用于ISM(工业科学医疗)方面和SRD(短距离通讯)方面，工作频带分别为315MHz、868MHz和915MHz，但CCl000可以很容易地通过编程使其工作在300～1000MHz。CC1000的FSK数传可以达到72．8kHz。

SIM300是一种三频紧凑型封装GSM／GPRS模块，可以工作在900／1800／1900MHz频段，可以低功耗地实现语音、短信息和数据及传真通讯，SIM300的特性可以使它理想地用于固定式无线终端，M2M以及手持设备等应用。SIM300模块通过SIM卡座和SIM卡相连并通过微型天线卡座连接9dB天线，通过此二种外设实现SIM300模块和GSM基站之间的信号发送和接收。文章设计仅仅使用了SIM300的GPRS功能，该GPRS功能是通过SIM300和主控制器之间的UART通讯实现的。

主控制器为AtMegal28处理器芯片，AtMegal28是RISC型的8位微处理器芯片，主频为16MHz，芯片内部有128kN片上FLASH，选择这个芯片是因为这个芯片有足够大的片上空间可以装下ZigBee协议栈。GPRS、zigBee、CAN和USB模块均接在AtMegal28的中断输入引脚上，四级中断形成雏菊花链式中断结构。主控制器芯片的定时器和计数器可以辅助主控制器和ZigBee芯片之间的控制时序和协议栈协议内容的实现。

主控制微处理器连接有CAN总线收发器和CAN总线控制器，它们可以和本地控制单元有线连接，并且通过CAN总线协议和网络协调器进行数据交换，再通过网络协调器与ZigBee网络进行局域数据交换或者通过GPRS进行广域数据交换。CAN总线模块采用Microchip公司的MCP2515和MCP2551组合实现，通过CAN总线模块可以和本地控制单元实现数据交互以实现应用工业控制或者科学医疗楼宇自动化控制等应用，CAN应用符合CAN2．0B总线规范。

对于射频电路来说，器件的相互干扰成为一种敏感的负面因素，本混合系统网络协调器由于包含了两种射频单元因而这个考虑变得更加重要，在PCB设计中，两个射频部分在布线的时候采取了分开布局的考虑，而且在射频部分各自加装了金属板屏蔽以避免射频的相互干扰，并在软件设计时避免两种射频的同时发射或接收。
本混合系统的测试系统为RFD器件，RFD器件只进行数据的收发，并通过CAN总线收发器和局部控制单元进行数据交互。RFD器件的收发频率和混合系统网络协调器的ZigBee单元的收发频率一致，应用802．15．4标准实现初始化和接入ZigBee网络，实现ZigBee网络的组网和数据收发。
3．3 GPRS-ZigBee混合系统网络协调器的软件设计
3．3．1 ZigBee模块软件结构
ZigBee协议栈是基于OSI模型分层设计，分为驱动层、协议层和应用层。驱动层主要提供硬件控制和相应的接口，协议层主要包括基于802．15．4协议的物理层数据链路层和网络层，应用层调用协议层提供的服务，完成系统操作并和其他模块通讯。
3．3．1．1 驱动层的设计
驱动层的设计主要是CCl000的驱动设计，CCl000可以由PDATA、PCLK和PALE实现通信配置，并由DIO和DCLK完成数据的传输。一个完整的CCl000配置要求发送29个数据帧，每个16位(7个地址位、1个读／写位和8个数据位)。驱动层的CCl000驱动以及驱动层和协议层的接口在AtMegal28中软件实现。
3．3．1. 2 协议层的设计
协议层主要完成网络的组成和网络成员的管理，其中物理层主要负责物理层数据的发送和接收，MAC层主要负责帧控制和数据校验，网络层主要负责网络的组建和网络成员管理，本设计为一个网络协调器和多个网络节点组成的星型网络，在组建网络前网络协调器首先检查网络环境，扫描网络信道，发送组网广播，通告网络的PAN ID以及自己的64位MAC地址，等待网络节点设备的连接请求，并依次登录网络节点设备。网络节点扫描信道，向网络协调器发出登录或者离开请求，等待网络协调器将该节点加入或删除出网络。
节点申请加入时搜索信道空闲状态，发送信标帧，在接收到多个带有链路质量信号参数的信标帧后，选取链路质量较好的节点并向协调器发出入网请求帧，协调器准许后会分配网内短地址给该节点。每个节点都有一个邻居表，并且可以对其动态维护，在该邻居表中含有一个父节点地址(除了根节点外)和多个子节点地址(除了叶结点外)，如此依次处理，则所有节点都登录形成无线网络，同理，一个节点离开网络时，将向其父节点发送请求帧，父节点在接收到请求后会将该节点从网络中摘除并向子节点发送响应帧。