如何实现将无线传感器网络升级到 ZigBeePRO
作者:深圳无线龙科技
嵌入式无线高级工程师 吴线
关键词: 无线传感器网络 ZigbeePro ZigBee2007 WSN
ZigBee 技术日趋完善
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 ZigBee2004 ,到 2007 年开发完成的 ZigBee2007 , ZigBeePro ,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ZigBee2004、ZigBee2006相比较, ZigBee2007/Pro进行了如下技术上的完善和改进:
l ZigBee 2007/Pro 是工业级和商业级协议栈
l 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)
l 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。
l ZigBee 2007/Pro 增加了高级跳频技术,具有超强网络抗干扰能力。
l ZigBee 2007/Pro 可以分包传输长数据包。
l ZigBee 2007/Pro 提供商业级的加密通讯。
ZigBee2007 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 ZigBeePro 功能命令集。( ZigBee2004 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。
ZigBeePro 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 ZigBee2007 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 ZigBee2007 和 ZigBeePro 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 ZigBeePro ,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 ZigBee2007) , 另外采用 TINY OS 和 CC2420 组成的系统,由于缺乏 TI 和 FREESCALE 公司的支持,也很难很快升级到 ZigBeePro 协议栈。
将无线传感器网络升级到 ZigBee PRO 的具体步骤
当你选择了具有升级能力的 ZigBee 无线单片机系统后,升级你的无线传感器网络系统到功能强大的最新 ZigBeePro 协议栈,是一件不困难的事情,这是因为 FREESCALE 和 TI 公司强大的技术开发团队,已经将 ZigBee2007 和 ZigBeePro 的庞大的而且复杂的技术规范,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,让我们来看看一个典型升级的过程:
第一步,你需要去 Freescale 公司和 TI 公司网站,下载完整的 ZigBeePro 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,你需要选择一个具有 ZigBeePro 开发能力的开发系统,表 1 列出了部分系统,使用国产化的开发系统,最大的好处在于可以方便的获得技术支持和服务。图四是一个典型的深圳无线龙科技公司生产的 ZigBeePro 开发系统。
图 4 典型的 ZigBeePRO 国产化开发平台
第三步,你需要下载编译调试工具,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,编译和调试,从 IAR 编译调试平台,打开各种 ZigBeePro 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 ZigBeePro 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 ZigBeePro 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 ZigBeePro 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。
然后你使用开发系统的在线仿真器,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。
到这里我们祝贺你,你已经完成了 ZigBeePro 无线传感器网络的升级过程,过程如此的轻松,并不是像网络上有些文章讲, ZigBee 无线网络技术这样的东西太复杂,只适合国外高技术环境,不适用于国内弱技术环境。
我们认为,任何熟悉单片机和嵌入式的电子工程师,软件工程师,都可以借助成熟的 ZigBee 协议栈和国产化的开发系统,轻松驾驭 ZigBee 网络技术,也可以很容易将自己的无线传感器网络升级到最新的功能强大 ZigBeePro , ZigBee2007 无线传感器网络技术。