第12章-無線通信接口

2023/2/4計算機接口技術(shù)1第12章無線通信接口本章主要內(nèi)容

SPI串行設(shè)備接口標準無線收發(fā)模塊無線通信接口的設(shè)計ZigBee網(wǎng)絡(luò)簡介ZigBee無線通信開發(fā)解決方案2023/2/4計算機接口技術(shù)212.1SPI串行設(shè)備接口與無線收發(fā)模塊無線通信網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的應用場合及無線傳輸?shù)奶匦?，已發(fā)展出了多種不同的網(wǎng)絡(luò)類型，如WiFi、WiMax、NFC、ZigBee、3G/4G、SmartAir等，這些類型的無線通信網(wǎng)絡(luò)都由相應的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所定義。不同的無線網(wǎng)絡(luò)的解決方案因?qū)崿F(xiàn)方式不同，其接口形式也不同。本節(jié)從接口技術(shù)的角度介紹一種簡單的無線通信接口方案，即通過微控制器的SPI接口擴展無線收發(fā)器，完成無線傳輸?shù)娜蝿?，以此來闡述接口技術(shù)在無線通信中應用的思路和方式。2023/2/4計算機接口技術(shù)312.1.1SPI串行設(shè)備接口標準串行外設(shè)接口SPI（SerialPeripheralInterface）是一種同步串行外設(shè)接口，用于微控制器與各種外圍設(shè)備進行串行通信，交換信息。是一種高效、數(shù)據(jù)位數(shù)可編程設(shè)置的輸入/輸出串行接口。SPI接口通信線路少，只用4根連接線即可完成所有的數(shù)據(jù)通信和控制操作，不占用MCU的數(shù)據(jù)總線和地址總線，極大地節(jié)約了系統(tǒng)的硬件資源。SPI標準可與各個廠家生產(chǎn)的多種標準外圍元器件直接接口，能夠方便和經(jīng)濟地擴展系統(tǒng)存儲容量和外設(shè)。2023/2/4計算機接口技術(shù)412.1.2SPI工作方式與原理

1.工作方式

SPI是以主從方式工作的，這種模式通常有一個主元器件和一個或多個從元器件。SPI的通信是由主元器件發(fā)起的，從元器件響應，并通過SPI主、從元器件接口完成數(shù)據(jù)的交換。SPI支持全雙工通信，數(shù)據(jù)傳輸速度總體來說比I2C總線要快，速度可達到幾Mb/s。單個從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)，如圖12.1所示。圖12.1單個從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)2023/2/4計算機接口技術(shù)5圖12.2多個從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)多個從元器件構(gòu)成的SPI通信系統(tǒng)，如圖12.2所示。2023/2/4計算機接口技術(shù)6

2.SPI信號線的定義

SPI由4種信號構(gòu)成，信號線的定義如下。（1）MOSI：主元器件數(shù)據(jù)輸出，從元器件數(shù)據(jù)輸入。（2）MISO：主元器件數(shù)據(jù)輸入，從元器件數(shù)據(jù)輸出。（3）SCLK：串行移位時鐘，由主元器件產(chǎn)生。（4）/SS：從元器件選中信號(片選信號)，由主元器件控制。/SS決定了與主設(shè)備通信的從設(shè)備，如果只有一個從設(shè)備，則不需要/SS信號，稱為點對點通信。在此情況下，SPI接口也不需要進行尋址操作，且為全雙工通信，顯得簡單高效。2023/2/4計算機接口技術(shù)73.SPI接口數(shù)據(jù)傳輸機制SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進行同步串行數(shù)據(jù)傳輸，并由主設(shè)備通過移位時鐘來發(fā)起通信。在主器件的移位脈沖作用下，數(shù)據(jù)按位傳輸，高位在前，低位在后，以主設(shè)備為參照，數(shù)據(jù)在時鐘的上升（或下降）沿由MOSI輸出，在緊接著的下降（或上升）沿由MOSI讀入。上升沿模式的數(shù)據(jù)傳輸時序，如圖12.3所示

。圖12.3SPI數(shù)據(jù)傳輸時序2023/2/4計算機接口技術(shù)8SPI接口模塊內(nèi)部硬件是兩個8位移位寄存器組成。在片選信號/SS有效和移位脈沖作用下，數(shù)據(jù)按位傳輸。在主元器件一側(cè)，對于上升沿模式的數(shù)據(jù)傳輸，在時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)移位輸出，在下降沿數(shù)據(jù)改變，同時一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器。SPI接口模塊內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)框圖，如圖12.4所示。圖12.4SPI內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖2023/2/4計算機接口技術(shù)912.1.3無線收發(fā)模塊實現(xiàn)無線通信的最簡單的方法是在現(xiàn)有微機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴展無線通信模塊，形成具備無線傳輸能力的系統(tǒng)。目前許多專業(yè)的公司推出了高性能無線收發(fā)芯片來簡化無線通信系統(tǒng)的設(shè)計，只需很少的外圍元件就可以與一個通用的微控制器構(gòu)成一個無線通信系統(tǒng)。微控制器可以通過與無線收發(fā)芯片的接口，控制其工作狀態(tài)、工作頻率和發(fā)射功率等參數(shù)，并能實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。無線收發(fā)芯片與微控制器間的接口方式有很多種，SPI和UART等串行接口簡單高效，是一種較好的接口方式。本書案例將以Nordic公司推出的nRF903高性能單片無線收發(fā)芯片為例，介紹其結(jié)構(gòu)及原理，并定義一個簡單的通信協(xié)議來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。2023/2/4計算機接口技術(shù)101、nRF903結(jié)構(gòu)與工作原理nRF903是一款高性能的單片無線收發(fā)芯片，只需很少的外圍元器件就可以與一個通用的微控制器構(gòu)成一個無線通信系統(tǒng)，可工作在工業(yè)、科學和醫(yī)療（ISM）頻段（433MHz/868MHz/915MHz），通過配置寄存器可實現(xiàn)不同工作頻段的選擇。nRF903的配置是通過其提供的SPI接口實現(xiàn)的，nRF903與微控制器的數(shù)據(jù)交換則是通過UART串行通信方式實現(xiàn)。nRF903僅支持半雙工通信方式，即它的發(fā)射電路和接收電路是分時工作的，不能同時發(fā)射和接收。nRF903的外圍電路，主要包括振蕩電路、濾波電路和天線電路。nRF903邏輯結(jié)構(gòu)和外圍元件連接，如圖12.5所示。2023/2/4計算機接口技術(shù)11圖12.5nRF903邏輯結(jié)構(gòu)和外圍元件連接nRF903芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu),包括發(fā)射電路、接收電路、接口電路以及外圍電路。2023/2/4計算機接口技術(shù)12(1)發(fā)射電路發(fā)射電路由GFSK調(diào)制器、壓控振蕩器（VCO）、頻率合成器、功率放大器和天線電路組成。數(shù)字信號從DATA腳輸入，經(jīng)過GFSK調(diào)制器、VCO和頻率合成器后得到帶有發(fā)射數(shù)據(jù)信息的高頻信號，高頻信號經(jīng)過功率放大器（PA）放大后從天線發(fā)射出去。(2)接收電路接收電路由天線電路、低噪聲放大器（LNA）、多相波濾波器、濾波器（IF）和GFSK解調(diào)器組成。在接收時，無線電信號由天線接收，經(jīng)過低噪聲放大器（LNA）放大后，進入兩級混頻和濾波電路，分別獲得10.7126MHz和345.6kHz的中頻信號，再經(jīng)過GFSK解調(diào)器解調(diào)后得到數(shù)字信號，最后數(shù)字信號從DATA腳輸出。2023/2/4計算機接口技術(shù)13(3)接口電路nRF903的接口電路主要包括收發(fā)控制和配置寄存器和SPI接口模塊，以實現(xiàn)nRF903的工作模式控制與工作參數(shù)設(shè)置，工作頻率和發(fā)射功率等工作參數(shù)可以通過收發(fā)控制和配置寄存器進行控制。從圖12.5可看到，nRF903提供了SPI接口（引腳CFG_DATA、CFG_CLK和CS）來訪問收發(fā)控制和配置寄存器。nRF903也提供了UART串行接口（引腳DATA、C_SENSE），來收發(fā)數(shù)據(jù)。當處于不同的工作模式時，DATA的方向不同。當接收時，DATA為輸出，當發(fā)送時，DATA為輸入。C_SENSE為接收器的狀態(tài)，當該引腳被置1時，表示接收到數(shù)據(jù)，此時從DATA讀取的數(shù)據(jù)才有意義。2023/2/4計算機接口技術(shù)142、nRF903用戶接口信號nRF903提供給用戶的接口信號如圖12.6所示。用戶接口信號按功能可分為兩組，分別用于操作模式控制和參數(shù)配置。操作模式控制接口信號包括引腳DATA、TXEN、STBY、PWR_DWN。SPI配置接口信號包括引腳CFG_DATA、CFG_CLK、CS。圖12.6nRF903的用戶接口信號2023/2/4計算機接口技術(shù)15nRF903另外提供了兩個可用的信號，分別是C_SENSE和CLK_OUT。當C_SENSE為0時，表示在接收通道上未檢測到載波；為1時，表示檢測到載波，即可接收數(shù)據(jù)。CLK_OUT是nRF903參考輸入時鐘11.0592的同步輸出，該時鐘可為輸入時鐘的1、1/2、1/4、1/8倍頻，可作為其他芯片的時鐘源。下面討論這些用戶接口信號在無線收發(fā)模塊nRF903的操作模式控制與參數(shù)設(shè)置中所起在作用。(1)操作模式控制nRF903的操作模式控制由引腳TXEN、STBY和PWR_DWN來設(shè)置，nRF903操作模式所對應的信號，如表12.1所示。2023/2/4計算機接口技術(shù)16操作模式STBYPWR_DWNTXEN常規(guī)操作。接收模式000常規(guī)操作。發(fā)送模式001低功耗。所有電路處于休眠狀態(tài)01X等待。僅XOSC和CLKXOSC和CLK_OUT處于活動狀態(tài)，在配置前CLK處于活動狀態(tài)，在配置前CLK_OUT頻率為11.0592MHz頻率為11.0592MHz10X缺省（接收）模式。SPI單元的配置被覆蓋，868MHz，接收模式，通道#0，輸出時鐘頻率為1.3824MHzSPI單元的配置被覆蓋，868MHz，接收模式，通道#0，輸出時鐘頻率為1.3824MHz110缺?。òl(fā)送）模式。SPI單元的配置被覆蓋，868MHz，發(fā)送模式，通道#0，輸出功率10dBm，輸出時鐘頻率為1.3824MHzSPI單元的配置被覆蓋，868MHz，發(fā)送模式，通道#0，輸出功率10dBm，輸出時鐘頻率為1.3824MHz111表12.1 nRF903操作模式設(shè)置2023/2/4計算機接口技術(shù)17(2)配置寄存器

RF903內(nèi)部含有一個14位的配置寄存器，用來設(shè)置4個工作參數(shù)：頻段、頻道數(shù)值（頻道中心位置）、輸出功率和時鐘輸出頻率。配置字的格式，如表12.2所示。位參數(shù)符號描述長度（位）0～1頻段FB“00”FB=(433.92±0.87)MHz“01”FB=(869±1)MHz“10”FB=(915±13)MHz“11”未使用22～9頻道數(shù)值CHfcentre_433MHz=433.152×10×106+CH×153.6×10×153.6×103Hzfcentre_868MHz=868.1856×10×106+CH×153.6×10×153.6×103Hzfcentre_915MHz=902.0928×10×106+CH×153.6×10×153.6×103Hz810～11輸出功率POUT輸出功率≈-8dBm+6dBm×POUTdBm212～13時鐘輸出頻率fμP_clk“00”

μP=fX-talMHz“01”

μP=fX-tal/2MHz“10”

μP=fX-tal/4MHz“11”

μP=fX-tal/8MHz2總計14表12.2配置字的格式2023/2/4計算機接口技術(shù)18例如，設(shè)置nRF903工作于868MHz頻段，頻道號為5，收發(fā)器與微控制器共享同一時鐘源，此時配置字的計算如下。(1)設(shè)置頻段nRF903工作于868頻段，參考表12.2的配置字式，

選取FB=01b。(2)設(shè)置頻道(中心頻率)數(shù)值由于頻道號為5，即CH=00000101b，參考表12.2的配置字格式中的fcentre_868MHz=868.1856×106+CH×153.6×103[Hz]。得到，fcentre_868MHz

=868.9536MHz。(3)設(shè)置輸出功率將輸出功率設(shè)置為最小，以減少在傳輸模式時的電流損耗，

POUT=00b。(4)設(shè)置輸出到外部微控制器的頻率將微控制器的工作頻率設(shè)為與nRF903一致，即fμP_clk=00b。根據(jù)以上的設(shè)置，14位的配置字為（MSB）00000000010101b。2023/2/4計算機接口技術(shù)1912.2無線通信接口的設(shè)計

12.2.1設(shè)計要求采用帶有內(nèi)嵌SPI接口的單片機C8051F340和無線收發(fā)模塊芯片nR903組成無線通信接口，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。

12.2.2硬件連接nR903與C8051F340

組成的接口原理圖，如圖12.7所示。nR903工作所需的信號線可分為4組，均由單片機C8051F340提供。這些信號線的作用介紹如下。圖12.7無線通信接口硬件信號連線圖2023/2/4計算機接口技術(shù)20

1.第一組信號線

包括CLK_OUT和C_SENSE兩個信號，分別連接到單片機的P1.0和P1.1引腳，用于監(jiān)測nRF903的狀態(tài)。CLK_OUT是nRF903的時鐘輸出信號，可作為單片機的系統(tǒng)時鐘源，在本例中，并未以該輸出作為C8051F340單片機的時鐘源，而是連接到P1.0引腳，用來監(jiān)測nRF903的振蕩器工作是否正常。

C_SENSE是載波檢測信號，連接到P1.1引腳，作為程序進行數(shù)據(jù)接收的判斷依據(jù)，因為只有存在載波時接收數(shù)據(jù)才有意義。2.第二組信號線包括CFG_DATA、CFG_CLK和CS3個信號，分別連接到單片機的SPI接口的3個引腳（MOSI、SCK、NSS），用于對nRF903配置字的寫入。在本例中，無線收發(fā)器芯片nRF903是作為SPI從設(shè)備，通過單片機C8051F340的SPI接口，將14位的配置字寫入nRF903的配置寄存器中，實現(xiàn)對頻段、頻道、輸出功率和輸出時鐘頻率的配置。2023/2/4計算機接口技術(shù)21

3.第三組信號線

包括STBY、PWR_DWN和TXEN3個信號，分別連接到單片機的P0.3、P0.6、P0.7引腳，用于nRF903工作模式的控制，各種工作模式的控制信號組合如表12.1所示。其中，TXEN腳用來控制發(fā)射或接收方式。發(fā)射和接收方式之間的切換需要數(shù)毫秒時間穩(wěn)定，這一點在通信軟件設(shè)計時需要考慮。

4.第四組信號線

包括DATA信號，為雙向，分別連接在單片機的RXD和TXD引腳，RXD和TXD之間通過一個10kΩ的電阻隔離，用于nRF903與C8051F340之間的數(shù)據(jù)傳輸。

由于nRF903是一種半雙工的無線通信元器件，發(fā)射和接收數(shù)據(jù)共用一個引腳DATA，因此不能同時發(fā)射和接收數(shù)據(jù)，其方向受TXEN信號的控制。

在發(fā)送時，DATA線上來自主機（單片機）的數(shù)據(jù)流會由nRF903調(diào)制成電磁波發(fā)射出去；在接收時，收到的載波信號，會由nRF903解調(diào)成數(shù)字信號通過DATA線傳輸?shù)街鳈C(單片機)。2023/2/4計算機接口技術(shù)2212.2.3軟件程序流程1.無線接口的數(shù)據(jù)傳輸在實際應用中，通常有一個設(shè)備被設(shè)置為發(fā)送模式，另一個設(shè)備被設(shè)置為接收模式。從硬件連接圖12.7可以看出，在發(fā)送方，通過微控制器的串行通信接口將待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以串行的方式傳輸?shù)絥RF903無線收發(fā)器芯片，將其調(diào)制成無線載波信號傳輸出去。在接收方，nRF903無線收發(fā)器芯片接收到無線載波信號后，將其解調(diào)成數(shù)據(jù)，并通過微控制器的串行通信接口接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。整個傳輸?shù)倪^程中，nRF903實現(xiàn)了比特流數(shù)據(jù)的無線傳輸。由于數(shù)據(jù)的傳輸實際上是由微控制器的串行接口控制的，因此，微控制器串行接口的波特率決定了無線通信的速率。2023/2/4計算機接口技術(shù)232.無線接口數(shù)據(jù)傳輸簡單協(xié)議在無線傳輸?shù)倪^程中，nRF903主要實現(xiàn)了物理層功能，即只不過實現(xiàn)比特波的傳輸。在無線通信和組網(wǎng)技術(shù)中，為能夠確保不同應用環(huán)境下的通信鏈路及數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定和可靠性，保證數(shù)據(jù)傳輸速度的要求以及解決網(wǎng)絡(luò)互連互通問題，通常會在上層制定不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議或規(guī)范，如后面將要介紹的Zigbee協(xié)議，就屬于不同的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。本例中，為了保證無線通信的可靠性，設(shè)計了一個簡單的通信協(xié)議，該通信協(xié)議數(shù)據(jù)幀由包頭、地址、數(shù)據(jù)和校驗碼4部分組成，采用固定幀長度。數(shù)據(jù)幀格式如圖12.8所示。2023/2/4計算機接口技術(shù)24圖12.8數(shù)據(jù)幀格式數(shù)據(jù)幀由包頭（5字節(jié)）、地址字（6字節(jié)）、數(shù)據(jù)字（24字節(jié)）、校驗字（1字節(jié)）4部分組成。包頭定義為0FFFFFFFFB3h，該字段作為接收和發(fā)射數(shù)據(jù)幀同步。地址字是設(shè)備地址，該地址要求在本無線通信系統(tǒng)內(nèi)不重復，采用以太網(wǎng)的MAC地址字節(jié)數(shù)，即6個字節(jié)。數(shù)據(jù)字是該數(shù)據(jù)幀要傳輸?shù)膬?nèi)容，固定為24字節(jié)。校驗字為1個字節(jié)，采用XOR方式，即校驗字由數(shù)據(jù)幀的地址和數(shù)據(jù)字部分通過XOR運算生成。如果接收到的數(shù)據(jù)幀的校驗和0與本地生成的校驗字不匹配，則說明數(shù)據(jù)幀有錯誤，要求重傳。2023/2/4計算機接口技術(shù)253.發(fā)射子程序流程發(fā)射子程序如圖12.9所示。發(fā)射子程序先設(shè)置nRF903為發(fā)射模式；產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀，包括生成校驗和0；等待數(shù)毫秒時間使nRF903發(fā)射電路穩(wěn)定；再按照數(shù)據(jù)幀的順序逐個發(fā)送每個字節(jié)；發(fā)射完畢使nRF903轉(zhuǎn)為等待模式。圖12.9發(fā)射子程序流程圖2023/2/4計算機接口技術(shù)264.收接子程序流程接收子程序如圖12.10所示。接收子程序先設(shè)置nRF903為接收模式并等待數(shù)毫秒后，檢測C_SENSE是否為高，若C_SENSE為高則說明存在接收數(shù)據(jù)，否則繼續(xù)等待。當接收到同步字節(jié)后（以0B3h為標志），說明后續(xù)接收的字節(jié)為地址、數(shù)據(jù)和/校驗和0。接收子程序?qū)邮盏臄?shù)據(jù)幀進行校驗，如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常（例如/校驗和0錯），則要求重傳；若無異常，則解析數(shù)據(jù)并傳給主程序處理。接收完畢轉(zhuǎn)為等待模式圖12.10接收子程序流程圖2023/2/4計算機接口技術(shù)2712.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)簡介ZigBee是近年來發(fā)展比較迅速的一種無線通信技術(shù)。它是基于IEEE802.15.4個域網(wǎng)標準的一種低速、短距離、低功耗的無線組網(wǎng)協(xié)議。ZigBee是由可多達65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺，可在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器。ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要是為工業(yè)現(xiàn)場自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立的，適合用于自動控制和遠程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。2023/2/4計算機接口技術(shù)2812.3.1ZigBee的技術(shù)特點ZigBee是一種無線連接，可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（歐洲流行）和915MHz（美國流行）3個頻段上，分別具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的傳輸速率，它的傳輸距離在10～75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee具有如下特點。(1)低功耗。由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，功耗低，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年的使用時間，這是其他無線設(shè)備望塵莫及的。(2)成本低。ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5～2.5美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關(guān)鍵的因素。(3)時延短。通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設(shè)備時延30ms，休眠激活的時延是15ms，活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制應用（如工業(yè)控制場合等）。2023/2/4計算機接口技術(shù)29(4)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個星形結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活。(5)可靠。采取了碰撞避免策略，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。(6)安全。ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用了AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。2023/2/4計算機接口技術(shù)30ZigBee技術(shù)應用環(huán)境ZigBee技術(shù)在實現(xiàn)無線傳輸?shù)膽檬謴V泛，特別適合下列環(huán)境中應用●需要數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控的網(wǎng)點很多。●要求傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，成本低，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，安全性高?！裨O(shè)備體積很小，不便放置較大的充電電池或者電源模塊。●地形復雜，監(jiān)測點多，需要較大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。●現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)的覆蓋盲區(qū)?！袷褂矛F(xiàn)存移動網(wǎng)絡(luò)進行低數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪b測遙控系統(tǒng)?！袷褂肎PS效果差，或成本太高的局部區(qū)域移動目標的定位應用?！裰腔蹣撕??！駸o線傳感器網(wǎng)。2023/2/4計算機接口技術(shù)3112.3.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次模型及協(xié)議棧簡介

1.ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次模型

ZigBee基于開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型（RM），其網(wǎng)絡(luò)層次模型，如圖12.11所示。從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE802.15.4標準的規(guī)定。PHY層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成，12.1.3節(jié)介紹的無線收發(fā)模塊屬于PHY層，該層與接口技術(shù)緊密相關(guān)。MAC子層為上層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。2023/2/4計算機接口技術(shù)32圖12.11ZigBee網(wǎng)絡(luò)層次模型2023/2/4計算機接口技術(shù)33

2.ZigBee協(xié)議棧學習ZigBee技術(shù)，關(guān)鍵是對ZigBee協(xié)議棧的理解。ZigBee協(xié)議棧由ZigBee堆棧層(包括應用層（APL）和網(wǎng)絡(luò)層（NWK）)和IEEE802.15.4協(xié)議所定義的媒體（介質(zhì)）訪問層（MAC）和物理層（PHY）組成，如圖12.12所示。ZigBee堆棧層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟負責，IEEE則制定物理層和鏈路層標準。應用層把不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，可以通過ZigBee設(shè)備對象（ZDO）對網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)進行配置和訪問，包括安全屬性設(shè)置和多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的匯聚等功能。圖12.12ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖2023/2/4計算機接口技術(shù)34網(wǎng)絡(luò)層(NWK)負責設(shè)備到設(shè)備的通信和網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備初始化所包含的活動、消息路由和網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)。媒體訪問層(MAC)負責相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負責建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全，它能提供兩個設(shè)備之間的可靠鏈接。物理層(PHY)定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，如無線射頻應該具備的特征，它支持兩種不同的射頻信號，分別位于2450MHz波段和868/915MHz波段。2023/2/4計算機接口技術(shù)35ZigBee堆棧的不同層與802.15.4MAC通過服務接入點（SAP）進行通信。SAP是某一特定層提供的服務與上層之間的接口。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務。管理實體接口的目標是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。從應用的角度看，通信的本質(zhì)就是端點到端點的連接。例如，一個帶開關(guān)組件的設(shè)備與帶一個或多個燈組件的遠端設(shè)備進行通信，目的是將這些燈點亮。所有端點都使用應用支持子層（APS）提供的服務。APS通過網(wǎng)絡(luò)層和安全服務提供層與端點相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務，因此能夠適配不同但兼容的設(shè)備，如帶燈的開關(guān)。2023/2/4計算機接口技術(shù)36(1)物理層（PHY）IEEE802.15.4標準為低速率無線個人域網(wǎng)（LR-WPAN）定義了OSI模型開始的兩層。PHY層定義了無線射頻應該具備的特征，物理層提供的服務是由硬件和軟件共同實現(xiàn)的，物理層通過物理層數(shù)據(jù)服務接入點（PD-SAP）和物理層管理服務接入點（PLME-SAP）與MAC層通信，PD-SAP支持在對等的MAC層實體間進行MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送，PLME-SAP則在MAC層管理實體之間提供管理命令的傳送。物理層主要完成如下任務：●無線收發(fā)器的激活與關(guān)閉●當前信道的能量檢測●接收數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量標識●為載波偵聽多路訪問/沖突防止（CSMS-CA）提供空閑信道估●工作信道選擇●數(shù)據(jù)發(fā)送和接收2023/2/4計算機接口技術(shù)37(2)媒體（介質(zhì)）訪問控制層（MAC）MAC層負責相鄰設(shè)備間的單跳數(shù)據(jù)通信。它負責建立與網(wǎng)絡(luò)的同步，支持關(guān)聯(lián)和去關(guān)聯(lián)以及MAC層安全，它能提供兩個設(shè)備之間的可靠鏈接。MAC層與物理層之間通過PLME-SAP和PD-SAP進行通信，通過MAC層數(shù)據(jù)實體服務接入點（MLDE-SAP）和MAC層管理實體服務接入點（MLME-SAP）向業(yè)務相關(guān)子層提供MAC層數(shù)據(jù)和管理服務。另外，MAC層能支持多種LLC標準，通過業(yè)務相關(guān)會聚子層（SSCS）協(xié)議承載802.2類型的LLC標準。MAC層功能如下：（1）當節(jié)點為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器時，產(chǎn)生信標（beacon）幀（2）在信標幀之間進行同步（3）支持個人區(qū)域網(wǎng)（PAN）的關(guān)聯(lián)與去關(guān)聯(lián)（4）支持節(jié)點安全機制（5）對信道接入使用CSMA-CA機制（6）處理和維護有保證的時隙（GTS）機制（7）在兩個對等MAC實體間提供可靠的鏈接2023/2/4計算機接口技術(shù)38(3)網(wǎng)絡(luò)層（NWK）網(wǎng)絡(luò)層對于ZigBee協(xié)議非常重要，每一個ZigBee節(jié)點都包含網(wǎng)絡(luò)層，ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)組建網(wǎng)絡(luò)，為新加入網(wǎng)絡(luò)方分配地址、路由發(fā)現(xiàn)、路由維護等。另外網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的基本應用。為此，網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務實體：網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務實體（NLDSE）和網(wǎng)絡(luò)層管理服務實體（NLMSE）。網(wǎng)絡(luò)層管理實體利用網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實體完成一些網(wǎng)絡(luò)的管理工作，并且完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫（NIB）的維護和管理。2023/2/4計算機接口技術(shù)39(4)應用層（APL）應用層由3個部分組成：應用子層(APS)、設(shè)備對象(ZDO)和制造商定義的應用對象（AppObj）。APS通過網(wǎng)絡(luò)層和安全服務提供層與端點相接，并為數(shù)據(jù)傳送、安全和綁定提供服務，可以適配不同但兼容的節(jié)點，并且提供了這樣的接口：在NWK層和APL層之間，從ZDO到供應商的應用對象的通用服務集。ZigBee中的應用層框架（APLFramework）為駐扎在ZigBee節(jié)點中的應用對象提供活動的環(huán)境。2023/2/4計算機接口技術(shù)4012.3.3ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由不同類型的設(shè)備構(gòu)成的，不同類型的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔不同的角色，其對資源的要求也不盡相同。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備可分為協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）、終端設(shè)備（EndDevice）3種不同功能的成員，每種都有自己的功能要求。1.ZigBee協(xié)調(diào)器ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備。協(xié)調(diào)器可以保持間接尋址用的綁定表格，支持關(guān)聯(lián)，同時還能設(shè)計信任中心和執(zhí)行其他活動。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個ZigBee協(xié)調(diào)器。2.ZigBee路由器ZigBee路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備。ZigBee網(wǎng)格或樹形網(wǎng)絡(luò)可以有多個ZigBee路由器。ZigBee星形網(wǎng)絡(luò)不支持ZigBee路由器。2023/2/4計算機接口技術(shù)41(3)ZigBee終端設(shè)備ZigBee終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)到達其他需要與其通信的設(shè)備。它的存儲器容量要求最少。然而需要特別注意的是，網(wǎng)絡(luò)的不同架構(gòu)會很大程度上影響設(shè)備所需的資源。NWK支持的網(wǎng)絡(luò)拓撲有星形、樹形和網(wǎng)格形，其中，星形網(wǎng)絡(luò)對資源的要求最低。2023/2/