彭道剛,張 浩,李 輝,夏 飛

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090)

工業(yè)無線技術(shù)是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù),引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)未來的發(fā)展方向.工業(yè)無線技術(shù)是 20世紀(jì)初新興的、一種面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù),是對(duì)現(xiàn)有工業(yè)通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升,將引發(fā)傳統(tǒng)工業(yè)測(cè)控模式的變革,引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向著低成本、高可靠、高靈活的方向發(fā)展［1］.美國(guó)及歐洲等一些國(guó)家多次在發(fā)展規(guī)劃中指出,工業(yè)無線技術(shù)將在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高能源效率等方面發(fā)揮重要作用.美國(guó)能源部還將工業(yè)無線技術(shù)列為在 2020年實(shí)現(xiàn)美國(guó)工業(yè)整體能耗降低 5%目標(biāo)的主要技術(shù)手段之一.可以預(yù)見,未來工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要的存在形式應(yīng)該是有線和無線的混合網(wǎng)絡(luò).在與有線網(wǎng)絡(luò)一樣能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控管理需要的前提下,無線方案將使用更低的成本、更快的速度建立更靈活、易擴(kuò)充、易管理的企業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò).

我國(guó)是國(guó)際上最早開展工業(yè)無線技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用的國(guó)家之一,由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所主持制定的用于工業(yè)過程自動(dòng)化的無線網(wǎng)絡(luò)W IA-PA規(guī)范,于 2008年 10月 31日經(jīng)過國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)全體成員國(guó)的投票,以 96%的得票率獲得通過,作為公共可用規(guī)范 IEC/PAS 62601標(biāo)準(zhǔn)化文件正式頒布.我國(guó)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的 W IA-PA技術(shù)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),標(biāo)志著在工業(yè)無線通信領(lǐng)域,中國(guó)已經(jīng)成為技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家之一.

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特點(diǎn)

目前,短距離無線通信技術(shù)已成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)重要分支.ZigBee是一組基于 IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于無線組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).IEEE僅處理低級(jí) MAC層和物理層協(xié)議.ZigBee聯(lián)盟對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,規(guī)定每個(gè) ZigBee協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn),幾個(gè)協(xié)調(diào)器則可形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò),對(duì)路由器傳輸?shù)臄?shù)目則沒有限制.ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層,以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄露其標(biāo)識(shí),而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得［2］.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要特點(diǎn)有以下幾點(diǎn).

(1)低成本 通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議,降低了對(duì)ZigBee通信控制器的要求,因而大大降低了成本,且免收專利費(fèi).

(2)低速率 在 2.4 GHz的頻段只有 10～250 kbit/s,專注于低傳輸應(yīng)用.

(3)近距離 傳輸范圍一般介于 10～100m之間,在增加 RF發(fā)射功率后,亦可增加到 1～3 km,如果通過路由器和節(jié)點(diǎn)間通信的接力,傳輸距離將可以更遠(yuǎn),具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定.

(4)低能耗 通常 ZigBee節(jié)點(diǎn)所承載的應(yīng)用數(shù)據(jù)速率都較低,在不需要通信時(shí),節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài);在低耗電待機(jī)模式下,兩節(jié)普通 5#干電池可使用0.5～2年,免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩,這也是 ZigBee的支持者所一直引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì).

(5)高容量 ZigBee可采用星型、樹型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn),最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理 254個(gè)子節(jié)點(diǎn),同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,最多可組成 65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò).

(6)可靠性 ZigBee物理層采用了擴(kuò)頻技術(shù),能夠在一定程度上抵抗干擾;MAC應(yīng)用層(APS部分)有應(yīng)答重傳功能;MAC層的 CSMA機(jī)制使節(jié)點(diǎn)發(fā)送前先監(jiān)聽信道,可以起到避開干擾的作用.當(dāng) ZigBee網(wǎng)絡(luò)受到外界干擾而無法正常工作時(shí),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)地被切換到另一個(gè)工作信道上.

(7)短時(shí)延 ZigBee的響應(yīng)速度較快,一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15 ms,節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需 30 ms,進(jìn)一步節(jié)省了電能.

(8)高安全性 ZigBee提供了 3級(jí)安全模式,包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù),以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)稱密碼,以靈活確定其安全屬性.

(9)免執(zhí)照頻段 使用頻段為 2.4 GHz,868 MHz(歐洲)及 915 MHz(美國(guó)),均為免執(zhí)照頻段.

表1為ZigBee,GPRS/CDMA,Wi-Fi,Bluetooth等幾種無線技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比.

表1 幾種無線技術(shù)的特點(diǎn)對(duì)比

2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與協(xié)議棧

2.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照網(wǎng)絡(luò)角色的不同可以分為中心節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器)、路由節(jié)點(diǎn)(中繼器)和終端節(jié)點(diǎn).中心節(jié)點(diǎn)包含所有的網(wǎng)絡(luò)消息,是 3種設(shè)備類型中最復(fù)雜的一種,存儲(chǔ)容量最大、計(jì)算能力最強(qiáng).主要功能是發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息、尋找一對(duì)節(jié)點(diǎn)間的路由消息、不斷地接收信息等.此外,按照 ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能的不同可分為全功能設(shè)備(Full-Function Device,FFD)與精簡(jiǎn)功能設(shè)備(Reduced-Function Device,RFD).FFD可以擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者,形成網(wǎng)絡(luò),與其他的 FFD或是 RFD連結(jié).

FFD具備控制器的功能,可提供信息雙向傳輸.RFD只能傳送信息給 FFD或從 FFD接收信息.在 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中,FFD通常有 3種工作狀態(tài),即:作為個(gè)域網(wǎng)(PAN)的主協(xié)調(diào)器;作為一個(gè)從協(xié)調(diào)器;作為一個(gè)終端設(shè)備.一個(gè) FFD可以同時(shí)和多個(gè) RFD或多個(gè) FFD通信,而對(duì)于一個(gè)RFD來說,它只能與一個(gè) FFD通信.因此,RPD僅需要使用較小的資源和存儲(chǔ)空間［3］.

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)支持星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和對(duì)等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)這兩種類型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).其中,對(duì)等網(wǎng)絡(luò)又分為樹型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò).ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1所示.

圖1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心,所有其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信,星型網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)設(shè)備如果需要通信,都必須先把各自的數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器,然后由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)方.這樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不太適合大范圍的多跳網(wǎng)絡(luò).

在 ZigBee的對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,同樣也存在一個(gè)主協(xié)調(diào)器,它又分為樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).在樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能與其父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通訊.在樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,在可能的情況下,路由器節(jié)點(diǎn)之間可以直接通訊.對(duì)等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠組成多跳的復(fù)雜性網(wǎng)絡(luò),因此該拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在工業(yè)監(jiān)測(cè)和控制、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、供應(yīng)物資跟蹤、農(nóng)業(yè)智能化及安全監(jiān)控等方面都有廣泛的應(yīng)用.

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)以 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義的物理層及 MAC層為基礎(chǔ),并對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展,對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和 API進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,定義了一個(gè)靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層,支持多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在動(dòng)態(tài)的射頻環(huán)境中提供高可靠性的無線傳輸.此外,ZigBee聯(lián)盟還開發(fā)了應(yīng)用層、安全管理、應(yīng)用接口等規(guī)范.ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)見圖 2.

圖2 ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)

IEEE802.15.4小組定義了最下兩層:物理層和 MAC層.ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架設(shè)計(jì),其中應(yīng)用層框架包括應(yīng)用支持子層、ZigBee設(shè)備對(duì)象,以及由制造商制定的設(shè)備對(duì)象.

2.2.1 物理層

ZigBee物理層主要功能有啟動(dòng)和關(guān)閉無線收發(fā)器、能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量、信道選擇、清除信道評(píng)估,以及通過物理媒體對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收,并負(fù)責(zé)物理層數(shù)據(jù)比特與鏈路層數(shù)據(jù)幀的相互轉(zhuǎn)化.

ZigBee物理層通過射頻固件和硬件提供了一個(gè)從MAC層到物理層無線信道的接口.其結(jié)構(gòu)及接口如圖 3所示.

圖3 ZigBee物理層的結(jié)構(gòu)與接口

從圖 3可以看出,在物理層存在有數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)和物理層實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn),通過這兩個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)提供以下兩種服務(wù):

(1)通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)(PD-SAP)為物理層數(shù)據(jù)提供服務(wù);

(2)通過物理層管理實(shí)體服務(wù)接人點(diǎn)(PLME-SAP)為物理層管理提供服務(wù).

物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)數(shù)據(jù)包的格式如表 2所示.

表2 物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU)的格式

在 PPDU數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中,最左邊的字段優(yōu)先發(fā)送和接收.在多個(gè)字節(jié)的字段中,優(yōu)先發(fā)送或接收最低有效字節(jié),而在每一個(gè)字節(jié)中優(yōu)先發(fā)送最低有效位字節(jié).同樣在物理層與毗層之間數(shù)據(jù)字段的傳送也遵循這一規(guī)則.

每個(gè) PPDU數(shù)據(jù)包都由以下幾個(gè)基本部分組成:同步包頭;物理層包頭 PHR;物理層凈荷.在同步包頭中,收發(fā)機(jī)根據(jù)前同步碼引入的消息,可獲得碼同步和符號(hào)同步的信息.其中,幀定界符由一個(gè)字節(jié)組成,用來說明前同步碼的結(jié)束和數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)的開始.在物理層包頭中,幀長(zhǎng)度占 7 bit,它的值是物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)包含的字節(jié)數(shù)(即凈荷數(shù)),該值在零到 aMax-PHYPacketSize之間.物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元 PSDU的長(zhǎng)度是可以變化的,并且該字段能夠攜帶物理層數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù).如果數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度類型為 5個(gè)字節(jié)或大于 8個(gè)字節(jié),那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元攜帶 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(MPDU).

物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)支持在對(duì)等連接MAC層的實(shí)體之間傳輸 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元.物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)所支持的原語(yǔ)有請(qǐng)求原語(yǔ)、確認(rèn)原語(yǔ)和指示原語(yǔ).物理層用 PD-DATA.request原語(yǔ)請(qǐng)求向本地的物理層實(shí)體發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)單元,當(dāng)物理層實(shí)體收到 PD-DATA.request原語(yǔ)后,如果發(fā)射機(jī)正處于激活狀態(tài)(即 TX-ON狀態(tài)),物理層將構(gòu)造一個(gè)物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PPDU),該單元包含要發(fā)送的物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU).在物理層實(shí)體完成發(fā)送之后,就會(huì)向 MAC層返回一個(gè) SUCCESS狀態(tài)的 PD-DATA.confirm原語(yǔ).當(dāng)物理層收到 PD-DATA.request原語(yǔ)時(shí),如果設(shè)備的收發(fā)機(jī)正處于接收狀態(tài)(即 RXON狀態(tài))或者收發(fā)機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)(即 TRX-OFF狀態(tài)),那么物理層實(shí)體將返回一個(gè)帶有 RX-ON或 TRX-OFF狀態(tài)的 PD-DATA.confirm原語(yǔ),表示設(shè)備的發(fā)射機(jī)未激活,必須將發(fā)射機(jī)激活后,才能正確地執(zhí)行 PD-DATA.request原語(yǔ).當(dāng)物理層接收到來自遠(yuǎn)方發(fā)送來的數(shù)據(jù)后利用 PD-DATA.indication原語(yǔ)向本地 MAC層實(shí)體傳送一個(gè)MPDU,將接收到的數(shù)據(jù)包發(fā)送給 MAC層.

2.2.2 MAC層

MAC層的功能包括:物理信道訪問,建立并維持 PAN網(wǎng)絡(luò),允許設(shè)備加入或退出 PAN網(wǎng)絡(luò),讓設(shè)備獲得并保持與 PAN協(xié)調(diào)設(shè)備的同步,數(shù)據(jù)幀的發(fā)送、接受和確認(rèn),對(duì) GTS的分配和處理等.

MAC層在服務(wù)協(xié)議匯聚層(SSCS)和物理層之間提供了接口,如圖 4所示.

圖4 ZigBee的 MAC層結(jié)構(gòu)及接口

MAC層包括一個(gè) MAC層管理實(shí)體(MLME),該實(shí)體提供一個(gè)服務(wù)接口,通過此接口可調(diào)用 MAC層管理功能.同時(shí),該管理實(shí)體還負(fù)責(zé)維護(hù) MAC層固有的管理對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù).另外,MAC層通過它的兩個(gè)不同的服務(wù)接入點(diǎn)提供兩種不同的 MAC層服務(wù),即 MAC層通過其公共部分的子層服務(wù)接入點(diǎn)提供數(shù)據(jù)服務(wù);通過其管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)提供管理服務(wù).

在 MAC層中還規(guī)定了兩種信道接入模式:一種是信標(biāo)模式;另一種是非信標(biāo)模式.信標(biāo)模式規(guī)定了一種超幀格式,顯然在信標(biāo)模式,要求協(xié)調(diào)器周期性地發(fā)送信標(biāo),在超幀的開始部分發(fā)送信標(biāo)幀,緊接著是競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期,在這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以 CAMA-CA競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道,再后面是非競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期,節(jié)點(diǎn)采用保護(hù)時(shí)隙(GTS)的方式接入信道,最后是非活躍時(shí)期,節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)并等待下一個(gè)超幀周期的開始再發(fā)送信標(biāo)幀.而非信標(biāo)模式則比較靈活,節(jié)點(diǎn)均以 CAMA-CA競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道,不需要周期性地發(fā)送信標(biāo)幀.

MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元即 MAC層幀,其結(jié)構(gòu)由 MAC層幀頭、幀載荷和幀尾組成.MAC層幀頭的子域順序是固定的,但在所有的幀中,可以不包含地址子域,MAC層數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表 3所示.

表3 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式

兩個(gè) ZigBee設(shè)備必須進(jìn)行的數(shù)據(jù)服務(wù)消息順序如圖 5所示.

圖5 MAC層數(shù)據(jù)單元傳輸?shù)倪^程

由圖 5可知,當(dāng)—個(gè)服務(wù)協(xié)議數(shù)據(jù)單元的數(shù)據(jù)信息(即 MSDU)要發(fā)送給一個(gè)對(duì)等連接的服務(wù)協(xié)議匯聚層實(shí)體時(shí),發(fā)送端服務(wù)協(xié)議匯聚層實(shí)體生成 MCPS-DATA.request原語(yǔ)并發(fā)送給本地的MAC層.MAC層實(shí)體在收到該原語(yǔ)后,就開始發(fā)送已經(jīng)準(zhǔn)備就緒的 MSDU,并根據(jù)原語(yǔ)所提供的參數(shù)構(gòu)造 MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元.

3 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺(tái)

目前市場(chǎng)上常見的 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案主要有英國(guó) Jennic公司的 JN5121/JN5139,Freescale MC1321x ZigBee,Chipcon CC2430 ZigBee,Digi XBee ZigBee等.本文對(duì)Jennic公司的 JN5121模塊進(jìn)行介紹［4］.

英國(guó) Jennic公司的 JN5121模塊可以最快的產(chǎn)品上市速度和較低的開發(fā)成本創(chuàng)建 IEEE802.15.4兼容系統(tǒng).JN5121模塊集成了所有的射頻組件,可提供一整套根據(jù) IEEE802.15.4協(xié)議開發(fā)無線系統(tǒng)的解決方案.相比其他開發(fā)平臺(tái),最突出的優(yōu)勢(shì)就在于它的高集成性,從而在軟件與硬件上給開發(fā)人員提供了很大的便利.JN5121 ZigBee芯片如圖 6所示.

圖6 JN 5121芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Jennic ZigBee軟件開發(fā)平臺(tái)使用 Jennic公司SDK軟件平臺(tái),包括 Codeblocks,Flash Programmer,W iniZB NCTool等工具.Codeblocks屬開源的C/C++開發(fā)工具,它與基于 cygwin的 gcc編譯器進(jìn)行連接,用以完成代碼的編譯工作.Flash Programmer軟件是用來將編譯好的代碼下載到傳感器板中的工具.W iniZB NCTool軟件作功能測(cè)試之用,它可以用于發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及設(shè)備狀態(tài)等信息,還可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)的配置.

該軟件開發(fā)平臺(tái)可以支持 ZigBee和 802.15.4兩種協(xié)議組件的開發(fā),因此在進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)時(shí),可以根據(jù)特定的需要來靈活選擇所需要的組件.ZigBee協(xié)議棧組件都是基于 MAC層的802.15.4協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)的,該組件在 802.15.4協(xié)議棧的基礎(chǔ)上提供了路由、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?jié)點(diǎn)管理等網(wǎng)絡(luò)層的眾多功能,在開發(fā)應(yīng)用層程序時(shí),可以直接獲得聯(lián)通的無線網(wǎng)絡(luò)連接.因此,對(duì)基于ZigBee協(xié)議棧組件的應(yīng)用開發(fā)會(huì)更加簡(jiǎn)單.而802.15.4協(xié)議棧組件只能實(shí)現(xiàn)基本的星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?用戶需要了解和管理更多的內(nèi)容,但是開發(fā)的靈活性足夠大,而且可以為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)節(jié)省ZigBee協(xié)議棧的版權(quán)使用費(fèi)用.

在應(yīng)用程序中對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞绞接刑厥庖髸r(shí),可以基于 802.15.4協(xié)議棧組件進(jìn)行應(yīng)用開發(fā),這樣就可以使用戶嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浞绞?此外,當(dāng)對(duì)于應(yīng)用程序的規(guī)模有較大需求時(shí),也可以采用更小的 802.15.4協(xié)議棧組件,使開發(fā)者獲得更大的編程空間.IEEE802.15.4協(xié)議棧組件的層次架構(gòu)如圖 7所示.

圖7 IEEE 802.15.4協(xié)議棧組件架構(gòu)

應(yīng)用程序通過 802.15.4的協(xié)議棧 API和IEEE 802.15.4的協(xié)議層進(jìn)行交互,以實(shí)現(xiàn)MCPS/MLME原語(yǔ)的請(qǐng)求和確認(rèn)、消息的標(biāo)識(shí)和回應(yīng).IEEE 802.15.4協(xié)議層與底層的硬件以及寄存器進(jìn)行交互,硬件層產(chǎn)生各種中斷,并通過中斷句柄將其轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)軟件模塊.還可以使用應(yīng)用隊(duì)列 API來簡(jiǎn)化對(duì)通訊協(xié)議層和硬件 API中斷的處理過程.應(yīng)用程序可以通過集成外圍設(shè)備API控制 JN 5121無線微處理器的集成外圍設(shè)備,比如 UART,計(jì)時(shí)器,通用 I/O等,還可以使用板卡 API控制板載無線傳感器和其他板載設(shè)備,如LED、按鈕、溫濕度傳感器等.

基于 Jennic JN5121模塊,本文作者設(shè)計(jì)開發(fā)了包括 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)和 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)測(cè)量系統(tǒng).

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)無線技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用成為繼工業(yè)以太網(wǎng)之后的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù),是對(duì)現(xiàn)有工業(yè)通信技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴(kuò)展和提升,將引領(lǐng)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)向低成本、高可靠性、高靈活性的方向發(fā)展.我國(guó)在工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)研究方面已取得較大進(jìn)展,擁有已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) W IA-PA技術(shù).

以低功耗、低成本的 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ),將其應(yīng)用在發(fā)電設(shè)備無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,不僅可以節(jié)約監(jiān)測(cè)成本,而且對(duì)于電力企業(yè)的節(jié)能降耗也具有重要意義.

［1］凌志浩,吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討［J］.自動(dòng)化儀表,2005,26(6):5-9.

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