LM3S9B96与CC2520平台上的ZigBee组网技术及应用

摘要：ZigBee技术是基于IEEE802．15．4的一种新兴的短距离、低功耗、低成本和低速率的无线传感器网络技术。网络节点作为无线传感器网络的物理载体，如何实现众多网络节点的智能化接入成为关键问题之一。本文提出了LM3S9B96+CC2520平台上无线通信节点的智能化设计，分析了ZigBee无线组网与数据通信技术，并实现了智能泊车引导系统的应用。关键词：无线传感器网络；ZigBee；LM3S9B96；CC2520；CC2530引言 基于IEEE802．15．4标准的ZigBee短距离低速无线个域网(LR-WPAN)协议将低速率、低功耗、低成本作为主要研究目标，是目前无线传感器网络的重要支撑协议之一。针对ZigBee无线短距离低功耗解决方案，虽然目前已经有好几家大半导体公司设计、生产了相应的无线芯片并提供了对应的支持协议栈，但是目前的ZigBee网络多是采用性能较低、存储容量较小的8／16位微控制器来实现的。然而，ZigBee无线网络的中心控制节点往往要分析、处理网络中通信的大量数据，在一些对实时及高效率有严格要求的应用场合，有必要采用高性能的微处理器作为节点的数据处理单元。TI公司Stellaris MCU内部拥有一个32位ARM Cortex-M3处理器核，ARM Cortex-M3核具有高速的处理速度且支持芯片厂商自己扩展丰富的外设，比如网口、USB口、LCD等。同时，Stellaris系列微控制器包含了100多种可以向全球供货的32位ARM核的MCU。本文选用基于32位ARM Cottex-M3核的微控制器LM3S9B96作为无线芯片CC2520的微控制器单元构成协调器节点，另将8051核的SoC CC2530芯片模块作为终端采集节点。通过配置节点设备环境，实现了ZigBee协议下的终端数据采集及星型、树型下的无线组网通信功能，验证了不同规格的ZigBee无线模块在同一协议栈环境下能够正常组网通信，厂商提供的不同ZigBee设备可进行互操作。1 ZigBee应用体系结构 本平台采用ZigBee标准技术，其具体应用体系结构如图1所示。其中，硬件实体层主要由处理器模块、无线通信模块构成，区别于协调器或路由器的全功能设备，作为精简功能设备的终端节点一般还需再配上传感器硬件模块以实现数据采集；OSAL软件功能模块作为TIZ-Stack协议栈中的操作系统抽象层，统一管理协议栈的运行以及各种任务事件的响应；ZigBee协议栈运行于OSAL抽象系统之上，该协议栈是由层来量化表示其整个协议标准的，每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供相应的数据接口及服务；ZigBee技术体系结构主要由物理(PHY)层、媒体访问控制(MAC)层、ZigBee网络(NWK)层以及应用(APL)层构成，其中物理层与媒体访问控制层协议为IEEE 802．15．4协议标准，网络层由ZigBee技术联盟制定，而应用层的应用则根据用户自己的应用需求进行开发利用。

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在应用系统设计过程中，考虑到LM3S9B96的优良特性以及作为协调器对硬件节点的高性能要求，用该开发板来控制CC2520无线传输模块，并把LM3S9B96+CC2520作为协调器节点，这也是TI公司提供的新的32位无线传感器网络节点方案。同时，将集成了一个8051核及射频电路的CC2530无线模块作为路由和终端节点，终端节点的传感器则采用E18-D80NKDC-5V反射式接近开关传感器，以此构成ZigBee无线组网的硬件平台。在ZigBee协议栈选择方面，CC2520及CC2530使用的是TI公司设计的符合ZigBee2007／PRO标准系统的ZigBee协议栈Z-Stack。Z-Stack是最新功能的协议栈产品，在互操作性、节点密度管理、数据负荷管理、频率捷变等方面有重大进步，且具有支持网状网络和低功耗等特点。在应用程序模块中，通过E18-D80NKDC-5V反射式接近开关传感器进行障碍物检测，利用CC2530终端节点与LM3S9B96协调器进行ZigBee星型网通信，构建了智能泊车引导系统。2 ZigBee网络节点结构2．1 硬件模块介绍 TI公司的CC2520、CC2530芯片是符合ZigBee技术的具有高集成度的无线射频收发器件，CC2520和CC2530芯片的PHY与MAC层协议符合IEEE 802．15．4标准，模块可工作在2 394～2 507 MHz的2．4 GHz ISM免费频段。该频段可提供16个物理通信信道，工作速率可达到250 kbps，码片速率为2 Mchip／s。CC2520和CC2530无线芯片均是有着低功耗的特点，在接收数据帧时电流消耗仅为18．5 mA，其输出功率编程可控，最大输出功率可达5 dBm，此时电流消耗33．6 mA，支持IEEE802．15．4标准与ZigBee协议。芯片的RF电路部分还提供丰富的硬件功能支持，如封包处理、数据缓冲、爆发传输、数据加密、数据验证、空闲信道评估、链路质量指示和封包时间信息，可大幅减轻主机控制器的作业负荷。 TI公司LM3S9B96微控制器内含DMA、数字／模拟转换器(DAC)和模拟／数字转换器(ADC)等功能模块且提供以太网、CAN及USB口通信，又兼具高性能及超低功耗的特点，能为ZigBee应用提供良好的硬件支持。无线传感网络节点的具体硬件结构如图2所示。

2．2 无线通信节点平台分析 通过了解IEEE802．15．4标准、ZigBee规范，并在此理论基础上研究TI公司的标准ZigBee协议栈Z-Stack，对其底层驱动、协议栈的初始化以及事件机制进行了研究与分析。LM3S9B96+CC2520节点作为当前较新的ZigBee节点平台，基于任务调度机制，采用功能模块化设计。电容式接近开关相关文章:电容式接近开关原理

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