CN102572878A

CN102572878A - 一种ZigBee协议分析装置

Info

Publication number: CN102572878A
Application number: CN2011104421063A
Authority: CN
Inventors: 程玉才
Original assignee: NANJING HANZHIXIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: NANJING HANZHIXIAN ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2011-12-26
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明涉及一种分析装置，尤其是一种ZigBee协议分析装置。所述ZigBee协议分析装置包括射频收发模块、主控制器模块、PC机、功能指示模块。射频收发模块、功能指示模块、PC机分别与主控制器模块连接。主控制器模块将射频收发模块发送的ZigBee信号转换为USB格式帧信号后发送给PC机，主控制器模块判断无线传感网络的运行状态。功能指示模块指示无线传感网络的工作状态。所述ZigBee协议分析装置为网络系统的可靠性和稳定性提供具体的数据支持；对使用ZigBee组成的无线传感网进行检测、分析；判断网络节点、路由以及协调器的工作状态。

Description

一种ZigBee协议分析装置

技术领域

本发明涉及一种分析装置，尤其是一种ZigBee协议分析装置。

背景技术

无线传感器网络技术综合了传感器技术、微电子技术、嵌入式计算技术、网络无线电、网络通信技术和分布式信息处理技术等，能够通过各类微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种监测对象的各种信息，并以自组多跳的网络方式无线传送到用户终端，具有可快速部署、可自组织、隐蔽性强和高容错性的特点。无线传感器网络具有十分广阔的应用前景，可用于工业监控、环境检测、军事探测、医疗保健等各个部门。IEEE 802.15.4/ZigBee协议标准就是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。

随着无线传感器网络技术的快速发展，在无线传感技术研发和测试中，都需要对IEEE 802.15.4/ZigBee的设备之间进行数据检测和协议分析，为网络系统的可靠性和稳定性提供具体的数据支持。但是当前的协议分析仪存在较多缺陷，首先，如最常用的就是嗅探器(Sniffer)，主要是对网络状态和数据流动进行监视，并且是单一信道的监测，缺乏对无线传感网进行检测。其次，常见的协议分析仪只能对ISM 2.4GHz频段的ZigBee信号进行检测分析，而工作在ISM 780/868/915MHz的频段时，具有低功耗、高灵敏度和穿透力强等特点，在相同发射功率情况下，具有比ISM 2.4GHz频段的IEEE 802.15.4更强的穿透力、更远的通信距离以及更好的通信质量。因此，现有技术对于700/800/900频段的ZigBee信号尤其是在IEEE 802.15.4c标准下对780MHz的中国频段就无法进行检测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种ZigBee协议分析装置。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种ZigBee协议分析装置包括：射频收发模块、主控制器模块、PC机、功能指示模块；其中：射频收发模块、功能指示模块、PC机分别与主控制器模块连接。

所述ZigBee协议分析装置的射频收发模块包括发射器和接收器，发射器和接收器通过平衡非平衡转换器连接到同一天线；

所述发射器包括依次连接的数字信号处理器、数字信号转换器、正交混频电路、功率放大器，数字信号处理器接收的信号转换为同相正交调制信号，数模转换器将同相正交调制信号转换为模拟调制信号，正交混频电路将模拟调制信号上变频为射频信号，功率放大器将射频信号放大后发射出去；

所述接收器包括依次连接的低噪声放大器、多项滤波器、混频电路、模数转换器、数字信号处理器，低噪声放大器将接收到RF差分信号放大，RF差分信号经多项滤波器得到正交信号，混频电路将正交信号下变频为低中频信号，模数转换器将接收到的低中频信号转换成数字信号，数字信号处理器对模数转换器输出的数字信号进行处理得到ZigBee链路信息。

所述ZigBee协议分析装置的主控制器模块包括：单片机、时钟电路、复位电路、USB转串口电路，其中：所述时钟电路、复位电路、USB转串口电路分别与单片机连接。

所述ZigBee协议分析装置的功能指示模块包括电源指示灯、接收指示灯、运行指示灯、蜂鸣器。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

本装置能够对700/800/900频段的IEEE 802.15.4/ZigBee信号进行检测，为网络系统的可靠性和稳定性提供具体的数据支持；同时对使用ZigBee组成的无线传感网进行检测、分析，判断网络节点、路由以及协调器的工作状态。

附图说明

图1为ZigBee协议分析装置的模块图。

图2为射频收发模块的电路图。

图3为主控制器模块的电路图。

图4为功能只是模块的电路图。

图5为射频收发模块通过SPI总线和主控制模块连接的电路图。

图中标号说明：1为射频收发模块，2为主控制器模块，201为STM32芯片，202为时钟电路，203为复位电路，204为USB接口，205为USB转串口电路，3为功能指示模块，4为PC机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图1所示的ZigBee协议分析装置，包括射频收发模块1、主控制器模块2、PC机4、功能指示模块3。射频收发模块1、主控制器模块2、PC机4分别与功能指示模块3连接，射频收发模块1通过SPI总线与主控制器模块2连接，PC机4通过USB总线与主控制器模块2连接。功能指示模块3包括电源指示灯、接收指示灯、运行指示灯、蜂鸣器。

射频收发模块1将接收到的无线信号解调为ZigBee信号后，然后把ZigBee信号以及射频收发模块1当前链路信息发送至主控制器模块2。主控制器模块2在接收到ZigBee信号后发出指令使功能指示模块3中的接收指示灯亮。主控制器模块2根据接收ZigBee信号的判断无线传感网络有无故障，同时将接收的ZigBee信号转换成USB标准的帧格式信号。功能指示模块3中的蜂鸣器仅在主控制器判断无心传感网络有故障后发出蜂鸣音。PC机4接收主控制器模块2上传的USB标准的帧格式信号数据。PC机4在无线传感网络故障时反馈USB标准的帧格式的故障信号至主控制器2，主控制器2将USB标准的帧格式的故障信号转换为ZigBee信号，射频收发模块1接收主控制器模块发送的ZigBee信号。功能指示模块4中的电源指示灯在无线传感器网络供电正常时亮，功能指示模块4中的运行指示灯在无线传感器网络运行正常时亮。

如图2所示，射频收发模块1包括发射器和接收器，发射器和接收器通过平衡非平衡转换器连接到同一天线。发射器包括依次连接的数字信号处理器、数字信号转换器、正交混频电路、功率放大器，数字信号处理器接收的信号转换为同相正交调制信号，数模转换器将同相正交调制信号转换为模拟调制信号，正交混频电路将模拟调制信号上变频为射频信号，功率放大器将射频信号放大后发射出去。接收器包括依次连接的低噪声放大器、多项滤波器、混频电路、模数转换器、数字信号处理器，低噪声放大器将接收到RF差分信号放大，RF差分信号经多项滤波器得到正交信号，混频电路将正交信号下变频为低中频信号，模数转换器将接收到的低中频信号转换成数字信号，数字信号处理器对模数转换器输出的数字信号进行处理得到ZigBee链路信息。此外，射频收发模块使用差分RF端口提供同相抑制用以抑制内置数字信号处理模块的开关噪声，端口设计阻抗100Ω，并使用平衡非平衡转换器将50Ω单端RF输入被转换为100Ω差分RF端口阻抗。射频收发模块1支持二相相移键控(BPSK)和偏移四相移相键控(O-QPSK)，同时支持多码片速率和多数据传输速率。

如图3所示，主控制器模块2包括：STM32芯片201、时钟电路202、复位电路203、USB接口204、USB转串口电路205。时钟电路202、复位电路203、USB转串口电路205分别与STM32单片机201连接。时钟电路202采用16NHz有源晶振为STM32芯片201提供时钟信号，复位电路203为STM32芯片201提供复位信号，STM32主控制器201通过USB转串口电路205实现主控制模块2和PC机4之间的通信，USB接口204提供主控制器模块的工作电压。STM32主控制器201采用基于Cortex-M3内核的STM32微处理芯片，一种基于ARM7v架构的最新ARM嵌入式内核，采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线，具有低成本和低功耗的特点。同时，主控制器模块控制本发明的信道、打开或关闭协议分析仪让其开始或停止接收数据等参数，其中SET_CHANNEL和SET_CHANNEL_ACK命令完成信道设置功能。SINGLE_ACTION和SINGLE_ACTION_ACK命令完成开启/关闭接收功能，GET_CHANNEL和GET_CHANNEL_ACK命令获取信道参数，GET_STATE和GET_STATE_ACK命令完成获取本发明的工作状态。

如图4所示，功能指示模块3通过LED显示当前系统的工作状态。其中，电源指示灯指示本系统供电是否正常，上电以后如果供电正常则该灯常亮；运行指示灯指示运行是否正常，如果每隔1S该灯闪烁一次则表明本系统运行正常；接收指示灯指示本系统是否接收到数据，当接收到ZigBee协议包时该灯闪烁一次。功能指示模块通过蜂鸣器来显示当前无线传感网的工作的状态，当发现不良节点或者路由或者协调器时，蜂鸣器发出报警声。

射频收发模块通过SPI总线和主控制模块连接的电路图如图5所示，以主控制模块2为主机模式，射频收发模块1为从模式，控制射频收发模块1工作。主控制器模块控制本发明的信道、打开或关闭本系统让其开始或停止接收数据等参数，其中SET_CHANNEL和SET_CHANNEL_ACK命令完成信道设置功能；SINGLE_ACTION和SINGLE_ACTION_ACK命令完成开启/关闭接收功能；GET_CHANNEL和GET_CHANNEL_ACK命令获取信道参数；GET_STATE和GET_STATE_ACK命令完成获取本系统的工作状态。

指令格式如下：

其中，HEAD为包头，起始位0x3F 23；CMD为命令码；LEN为数据长度，标识数据区长度从本字节开始到CRC效验的前一个字节结束；DATA为数据区，该数据区格式符合ZigBee协议，当LEN＝0时该区域可以没有；CRC为校验码，起于CMD止于DATA尾间所有的数据和。

各指令数据格式如下：

(1)SET_CHANNEL

SET_CHANNEL(0x00)	数值	说明
			HEAD	0x3F23	包头
CMD	0x00	命令码
			LEN	0x01	数据区长度
DATA		信道号，该值为0-3
			CRC		加和效验

(2)SET_CHANNEL_ACK

(3)SINGLE_ACTION

SINGLE_ACTION(0x02)	数值	说明
			HEAD	0x3F23	包头
CMD	0x02	命令码
			LEN	0x01	数据区长度
DATA		0：停止接收，1：开始接收
			CRC		加和效验

(4)SINGLE_ACTION_ACK

(5)DATA_UPLOAD

(6)GET_CHANNEL

GET_CHANNEL(0x05)	数值	说明
			HEAD	0x3F23	包头
CMD	0x05	命令码
			LEN	0x00	数据区长度
DATA
			CRC		加和效验

(7)GET_CHANNEL_ACK

(8)GET_STATE

GET_STATE(0x07)	数值	说明
			HEAD	0x3F23	包头
CMD	0x07	命令码
			LEN	0x00	数据区长度
DATA
			CRC		加和效验

(9)GET_STATE_ACK

GET_STATE_ACK(0x08)	数值	说明
			HEAD	0x3F23	包头
CMD	0x08	命令码
			LEN	0x01	数据区长度
DATA		0：正常工作1：出错
			CRC		加和效验

数据报文经过基带滤波把有效的数据报文存储在射频收发模块1的数据缓存(FIFO)中，主控制模块2通过总线操作读取数据缓存(FIFO)效数据报文，并对读取到的报文进行识别，检测是否是一个完整的数据报文。

此外，ZigBee协议分析装置采用了一定的安全机制，通过寄存器、帧缓冲及通过SPI(状态包检测)实现128位硬件加速器(ECB与CBC)的AES(高级加密标准)加密，可在平行于所有PHY操作模式的情况下，访问完全独立的AES加解密引擎。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims

1.一种ZigBee协议分析装置，其特征在于包括：射频收发模块、主控制器模块、PC机、功能指示模块；其中：射频收发模块、功能指示模块、PC机分别与主控制器模块连接。

2.根据权利要求1所述的ZigBee协议分析装置，其特征在于所述射频收发模块包括发射器和接收器，发射器和接收器通过平衡非平衡转换器连接到同一天线；

3.根据权利要求1所述的ZigBee协议分析装置，其特征在于所述主控制器模块包括：单片机、时钟电路、复位电路、USB转串口电路，其中：所述时钟电路、复位电路、USB转串口电路分别与单片机连接。

4.根据权利要求1所述的ZigBee协议分析装置，其特征在于，所述功能指示模块包括电源指示灯、接收指示灯、运行指示灯、蜂鸣器。