原创 基于MC13224设计的Zgibee Pro 无线传感器网络

ZigBee技术是一种工作在900MHZ和2.4GHZ频段的新兴无线网络技术，具有中等通讯距离 （10米到数百米），比较灵活经济的通讯速率（40Kbps到250Kbps），并且有星状，网状（MESH），树状等多种网络拓扑，低的功耗等特点，所以在当今无线通讯技术和无线网络技术领域，占用重要的一席之地，图一描述了以监视和控制为主要应用方向的ZigBee技术，在当今新兴无线网络技术中的位置。

 

 

图1 ZigBee在新兴无线网络技术中的位置

 ZigBee技术诞生后，经历了一个不断完善的成长过程，其核心技术是软件协议栈，从2004年2月的第一个版本ZigBee 2004，到2007年开发完成的ZigBee 2007，ZigBee PRO，历时4年，不断完善和不断改进，在网络可靠性，网络容量，低功耗，抗干扰等多个方面，技术日趋完善。

 

图2是ZigBee协议栈升级的历史

            与ZigBee 2004、ZigBee 2006相比较，ZigBee 2007/pro进行了如下技术上的完善和改进：ZigBee 2007/pro 是工业级和商业级协议栈ZigBee 2007/pro 适合于大型网络（超过1000个节点的大型无线传感器网络）ZigBee 2007/pro 改进了路由方式，是路由更加可靠，路由表格更加节省内存。ZigBee 2007/pro  增加了高级跳频技术，具有超强网络抗干扰能力。ZigBee 2007/pro  可以分包传输长数据包。ZigBee 2007/pro  提供商业级的加密通讯。ZigBee-2007 规范定于了两套高级的功能指令集（ feature set）：分别是ZigBee 功能命令集和ZigBee PRO 功能命令集。（ZigBee 2004和2006都没有和不兼容这两套新的命令集）。    ZigBee 协议栈模式(Stack Profile 1) 是2006发布，目标是消费电子产品和灯光商业应用环境，设计简单，使用在少于300个节点的网络。    ZigBee PRO协议栈模式 (Stack Profile 2) 发布在 2007年目标是商业和工业环境，支持大型网络，1000个以上网络节点，相应更好的安全性。

    图3是ZigBee 2007协议栈的新结构

 

 

升级到ZigBee 2007/PRO对无线单片机的硬件要求         
       ZigBee无线网络的基本部件包括协调者（coordinator ）路由器(router) 和终端节点( end device)，这些基本部件的核心都是一个完整的，具有IEEE802.15.4标准无线收发器和微处理器（单片机）的片上系统SoC(也称为无线单片机)，由于ZigBee 2007和ZigBee RO软件协议栈比较复杂，需要较大的内存空间和较大的运算处理能力，所以，需要无线单片机具有这样的能力，才能升级到ZigBee 2007/PRO协议栈，表一是部分可以升级到ZigBee2007/PRO的无线单片机系统。

 

目前市场上的一些无线单片机由于设计定位和推出时间等原因，不能升级到ZigBee 2007和ZigBee PRO ， 对于8051内核的8位无线单片机，如果闪存少于128K，一般不能不能升级到ZigBee 2007 ( 例如CEL公司最近推出的具有8051内核的ZIC2410 无线单片机，内存只要96K， 所以不能升级到ZigBee 2007)， 另外采用TINY OS 和CC2420组成的系统，由于缺乏TI和FREESCAL公司的支持，也很难很快升级到ZigBee PRO协议栈。 设计基于Zigbee Pro无线传感器网络的具体步骤
       
    最新ZigBee PRO协议栈将ZigBee 2007和ZigBee PRO庞大且复杂的技术规范做成了完整的软件代码包和容易使用的API命令，各种直观的表演和测试软件，让任何熟悉单片机的工程师，都很容易上手和入门。     
   下面，我们以飞思卡尔的MC13224芯片为例来设计无线传感器网络：
      
    第一步，去  Freescale公司网站，下载完整的ZigBee PRO协议栈包装，可能有几十兆的大小，可能需要简单的注册，但是都是完全是免费使用的。

    第二步，选择一款具有ZigBee PRO开发能力的开发套件，通过表1查到现有的开发平台，在本文中推荐一款国产化的开发平台供大家参考。图四为无线龙公司研发的一款MC13224无线传感器平台。

 

 

图4 基于ZigBee PRO无线传感器网络平台

     第三步，下载安装编译调试工具，表1的列出系统都是使用IAR公司的强大开发平台，你可以到IAR公司网页下载评估版和快速开始评估系统，都是免费的。安装这些系统是非常容易的事情。

      第四步，协议栈的编译和调试，从IAR编译调试平台，打开各种ZigBee PRO的工程文件，你可以看得各种已经做好的软件代码，这些代码就是神秘的ZigBee PRO协议栈和各种应用接口软件代码和工程文件，图五是一个打开文件的实例。

 

图5  典型的ZigBee PRO 工程文件和代码

     然后，你可以随意在这个源代码的工程上，添加你的应用代码，例如：“采集一个节点的温度数据 ，通过ZigBee PRO网络多跳路由发送到主机”“数据链因为干扰中断，立即将网络跳频到其他干净频段”…..等等高级功能，都可以通过软件代码轻松和容易的立即实现。     然后你使用开发平台中提供的在线仿真器，将你修改，编译的代码，下载到无线传感器节点内部，并采用IAR强大的差错调试功能，进行代码测试运行和修改。     第五步：将代码分别下载到你的协调者（coordinator ）路由器(router) 和终端节点( end device)，然后开始运行你的应用，可能是开关一个灯泡，也可能是监视烟雾报警器，也可能控制一个马达…..，你会发现，你可以轻松控制你的无线传感器网络内的任何路由器和节点。

     通过上面几步就完成了基于Zigbee Pro的无线传感器网络的设计。

       
     无线传感器网络有着十分广泛的应用前景，它不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域有具有巨大的运用价值，在未来还将在许多新兴领域体现其优越性，如家用、保健、交通等领域。我们可以大胆的预见，将来无线传感器网络将无处不在，将完全融入我们的生活。比如微型传感器网最终可能将家用电器、个人电脑和其他日常用品同互联网相连，实现远距离跟踪，家庭采用无线传感器网络负责安全调控、节电等。无线传感器网络将是未来的一个无孔不入的十分庞大的网络，其应用可以涉及到人类日常生活和社会生产活动的所有领域。