CC2420的Zigbee无线网络系统的实现-至顶网.doc

CC2420的Zigbee无线网络系统的实现 　　Zigbee是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。Zigbee协议的一些应用包括建筑自动化网络、建筑安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设。与其他无线协议相比，Zigbee无线协议提供了低复杂性、缩减的资源要求，最重要的是它提供了一组标准的规范，并提供了三个工作频带，以及一些网络配置和可选的安全功能。 1 Zigbee协议概述 1.1 IEEE 802.15.4 　　Zigbee协议使用IEEE 802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。IEEE 802.15.4总共定义了3个频带：2.4GHz、915MHz和868MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4GHz频带有16个信道（信道11－26）、915MHz频带提供10个信道（信道1－10）而868MHz频带提供1个信道（信道0）。 　　协议的比特率由所选择的工作频率决定。2.4GHz频带提供的数据速率为250kpbs，915MHz频带提供的数据速率为20kbps。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。 　　IEEE 802.15.4 MAC数据包的最大长度为127字节。每个数据包都由头字节和16位CRC值组成。16位CRC值验证帧的完整性。此外，IEEE 802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊ACK标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的时候置位了ACK 标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。注意接收到应答仅仅表示帧被MAC层正确接收，而不表示帧被正确处理，这是非常重要的。接收节点的MAC 层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。 1.2 网络配置 　　Zigbee无线网络可采用多种类型的配置。 星型网络配置由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。协调器是实现了一组很多Zigbee服务的一种特殊的全功能设备（FFD）。终端设备可能是FFD或简化功能设备（RFD）。RFD是最小而且最简单的Zigbee节点。它只实现了一组最小的Zigbee服务。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。星型拓扑结构如图1所示。 图1 星型网络拓扑结构 　　群集网络配置也是Zigbee使用的一种网络配置结构。在群集网络中，终端设备既可以选择和协调器通信，也可以和路由器（router）通信。路由器有两个功能：一是增加网络中的节点数量，二是扩大网络的物理范围。有了路由器后，终端设备就不必安装在协调器的有效射频范围内。群集网络结构如图2所示。 图2 群集网络拓扑结构 　　和任何网络一样，Zigbee网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。有两种类型的多点接入机制。在没有使能信标的网络中，只有信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。在使能了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标知为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。 1.3 数据传输机制 　　传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确切机制随网络类型的不同而有所不同。在无信标的星型网络中，当终端设备想要发送数据帧时，它只需等待信道变为空闲。在检测到空闲信道条件时，它将帧发送到协调器。如果协调器想要将此数据发送到终端设备，它会将数据帧保存在其发送缓冲器中，直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。此方法确保终端设备的接收器是被开启的，而且可从协调器接收数据。 　　在点对点网络中，每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。 2 RF收发芯片CC2420 　　CC2420是Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE 802.15.4标准的射频收发器。该器件是第一款适用于Zigbee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE 802.15.