摘要 在FREESCALE公司SMAC協議構架的基礎上提出一種組建ZigBee星形網絡的有效方法。本文給出了網絡節點的硬件構成，詳細分析了網絡組建的軟件設計思想；并將該無線網絡應用于某紡織車間線路改造的項目中，解決了原車間布局下的多臺設備之間不易走線的問題，大大降低了成本。

引言

ZigBee技術是最近發展起來的一種近距離無線通信技術，功耗低、成本低、易應用，工作在2.4 GHz頻段，采用擴頻技術。ZigBee被業界認為是最有可能應用在工業監控、傳感器網絡、家庭監控、安全系統等領域的無線技術。目前市場上已經有多家公司提供ZigBee產品，可是大多功能齊全的ZigBee無線通信系統（含協議棧）的價格卻比較昂貴，單獨的ZigBee模塊又不具有組網通信、節點自主加入的功能，這在很大程度上限制了ZigBee產品應用的靈活性和廣泛性。本文在FREESCALE公司的SMAC協議包的軟件構架的基礎上，采用MC13192 RF收發器成功組建了一個ZigBee星形網絡。在該網絡中，多個通信節點能夠自由入網，在網絡中實現數據包的可靠傳輸。并且各個節點在軟件和硬件上有著良好的可擴展性，能夠接入多路傳感器信號組網通信。

1  星形網絡的結構體系

星形網絡結構如圖1所示，所有終端設備都與唯一的中央控制設備（PAN協調器）通信，終端設備之間的通信通過PAN協調器的轉發來實現。網絡終端設備要么是數據傳輸的起點，要么是數據傳輸的終點。

網絡中必須有一個PAN協調器，它在網絡建立之前先對網絡的各個屬性初始化并建立協調器的描述符表，然后等待終端設備入網。星形網絡由于沒有路由器，最多只能允許255個終端設備加入網絡。終端設備進行數據發送時，必須先把數據包發送給PAN協調器，PAN協調器根據數據包中的源地址字段查詢近鄰設備列表，判斷該終端設備是否已在網絡中。當近鄰設備列表中存在該設備時，就說明該終端設備已經處在網絡中，然后PAN協調器對數據包進行分析。若數據包的目的地址字段為PAN協調器，則PAN協調器接收數據包并處理其信息字段；若數據包的目的地址字段為其他終端設備，則PAN協調器根據數據包中的目的地址字段是否為終端設備進行數據包的轉發。在星形網絡中，PAN協調器使用不間斷電源（UPS）供電，而其他設備采用電池供電。

2  網絡節點的硬件設計

不論是協調器還是終端設備，硬件設計上大體是一致的，只是外圍電路根據不同環境需要稍作改動。在工作模式下，網絡節點的傳輸數據量很小，因此信號的收/發時間極短；而在非工作模式時，網絡節點又處于休眠模式。而且設備的搜索、休眠激活和信道接入時延（分別為30 ms、15 ms、15 ms）都很短，使得網絡節點功耗極低，非常省電。圖2為硬件設計的基本框圖。

2.1  中央處理單元

MCU選用FREESCALE公司的8位微控制器MC9S08GT60，內部總線頻率高達20 MHz，完全能夠支持高實時性的射頻模塊。60 KB的FLASH足夠容納ZigBee協議棧。10位的A/D轉換模塊用于對傳感器信號的數據采集。2個串行通信接口（SCI）用于和上位機進行通信。串行外設接口（SPI）用于MCU和射頻模塊之間的數據傳遞。每個功能模塊動作完成后都能向MCU申請中斷，因此很少需要CPU干預。

2.2  射頻通信模塊

射頻通信模塊選用FREESCALE公司的MC13192 RF收發器，它內部包含了完整的IEEE 802.15.4標準的物理層（PHY）調制解調器，用于支持IEEE 802.15.4標準所規定的點對點、星狀和網狀網絡通信。通信中，該收發器的包差錯率在1.0%時，輸出功率小于-92 dBm（典型值），遠遠低于IEEE 802.15.4標準所規定的-85  dBm。

2.3  MCU與射頻模塊的接口

MC13192的控制和數據傳送依靠4線串行外設接口（SPI）完成，其4個接口信號分別是MOSI、MISO、CE、SPICLK。主控MCU通過控制信號ATTN退出睡眠模式或休眠模式，通過RST來復位收發器，通過RXTXEN來控制數據的發送和接收，或者強制收發器進入空閑模式。接口示意圖如圖3所示。

3  網絡節點的軟件設計

3.1  SMAC協議包簡介

FREESCALE公司提供足夠的軟件支持MC13192硬件，SMAC是MC13192射頻模塊產品隨機附帶的軟件協議包，用于簡單的個人無線連接。SMAC協議包源程序是C語言，該協議包可以應用在基于MC13192集成電路的RF收發器中。協議包包含一個SMAC應用模版以及幾個應用示例程序（Wireless UART、Packet Error Rate等），可以直接應用于FREESCALE公司的2.4 GHz無線收發器*估板（MC13192EVB）。SMAC協議包雖是建立于HCS08系列的MCU和其串行接口SPI組成的硬件電路，但是具有很好的可移植性，能夠移植到大多數處理器內核中使用。