CN104955173A

CN104955173A - Zigbee无线组网方法

Info

Publication number: CN104955173A
Application number: CN201510392761.0A
Authority: CN
Inventors: 刘瑞祯
Original assignee: Wuxi Jimin Science & Technology Co Ltd
Current assignee: Zhongke Zhi Valley Science and Technology Development Co., Ltd.
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明公开了一种ZIGBEE无线组网方法，属于物联网技术领域，它包含以下步骤：通过软件接口将程序下载到芯片；通过硬件底层驱动处理器初始化和芯片初始化；通过协调器构建并发送数据；终端设备入网。它网络节点数量大，但通信距离，数据传输量有限；传感器节点体积小，成本低，低功耗，网络节点耗电低，电池使用寿命长。网络具有自组织性。网络以数据为中心，在无线传感器网络里，人们关心只是观测到在某一个区域的指标值，而不会去关心具体某个节点的位置。因此无线传感器网络是任务型网络，节点的网络地址号与节点位置没有必然的联系，所关心的只是要成功传送或接收的数据。

Description

ZIGBEE无线组网方法

技术领域

本发明涉及物联网技术领域，具体涉及ZIGBEE无线组网方法。

背景技术

无线传感器网络（WSN：WirelessSensor Network）综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成的微型传感器共同的实时监测、感知和采集各种环境或监测对象中的信息，人们获得信息的能力得到了极大的扩展，它是21世纪产生巨大影响的技术之一。目前用于无线传感网络的主要网络协议有Bluetooth、ZigBee、Wi-Fi以及IrDA等。其中，在各类无线传感网络中，ZigBee技术是具有延时短，低成本，低功耗的无线通信应用的首选技术。

随着微电子技术、计算技术以及无线通信技术的进步，推动了低功耗多功能传感器的快速发展，使其在微小体积内能够集成信息采集、数据处理和无线通信等多种功能。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是共同协作感知、采集和处理网络覆盖区域中检测对象的信息，并把所采集的信息发送给观察者。

当今，个域无线网络的出现极大的方便了人类的生活，并极力的在改变人类的生活，而电子信息、半导体技术的发展又为个域无线网络带来了更多的机遇和挑战。无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色。无线传感器网络的发展是由传感器网络开始的。无线传感器网络的发展大致经过了四个阶段：第一阶段，将传统传感器采用点对点的连接方式，进行数据的传输，从而构成的传感网络，这种连接方式的传感器构成了传感器网络的最初模型。第二阶段，随着电子通信技术的发展，传感器网络同时也具有了获取多种信息和综合处理信息的能力，通过与传感控制器的相联，组成了具有信息综合处理能力的传感器网络。第三阶段，就是具有智能获得信息的传感器网的通信技术进入局部监控网络阶段，并且可以通过网关和路由器实现与Internet相连，从而形成智能化传感网络。第四阶段，伴随着低能耗的模拟和数字电路技术、无线电射频技术和传感技术的发展，开发小体积、低成本、低能耗的微型传感器，在实际应用中需要成千上万个这种微传感器一起协调工作，它们之间通信的方式也由有线通信转变为无线通信，最终形成无线传感器网络。在第四代无线传感网络中，采用大量的具有多功能、多信息获取能力的传感器，在通信方式上采用自组织无线接入，从而构成了现代意义的无线传感器网络。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种网络节点数量大，网络具有自组织性的ZIGBEE无线组网方法。

本发明的ZIGBEE无线组网方法，它包含以下步骤：

一、通过软件接口将程序下载到芯片；

二、通过硬件底层驱动处理器初始化和芯片初始化；

三、通过协调器构建并发送数据；

四、终端设备入网。

作为优选，所述的软件接口中MAC层与应用程序之间为用户提供了三种接口进行各种信息的交换三个接口分别为MLME-SAP、MCPS-SAP和ASP-SAP。

MAC层与上层之间的3个接口有6个服务访问点（SAP），又分别调用以6个不同C语言函数来完成不同的通信。

作为优选，所述的硬件初始化主要包括处理器初始化和射频芯片MC13192初始化，处理器初始化程序包括SPI接口设置、中断功能设置、LCD驱动软件、SCI串口设置以及ATD转换初始化等。MC13192的中断引脚与处理器的外部中断申请引脚相连，处理器的外中断的控制与状态信息集中在一个控制寄存器IRQSC中。硬件中的应用设置为下降沿触发，在边沿触发时IRQACK位写入1，为了清除以前可能产生的中断。

1、处理器的SPI接口与5个寄存器有关，分别为SPI控制寄存器1（SPI1C1）、SPI控制寄存器2（SPI1C2）、SPI波特率寄存器（SPI1BR）、SPI状态寄存器（SPI1S）以及SPI数据寄存器（SPI1D）；

2、MCU初始化包括了I/O口、SPI和中断等初始化；

3、处理器对MC13192所有的操作都是通过SPI接口来完成的，在实现MC13192的初始化时，先要完成对SPI接口的程序设计。SPI接口程序有对射频芯片内部寄存器的采用的是单字节读写模式。SPI接口的CE信号线被拉低就开始了一次SPI操作，在单字读写方式下，数据格式一次实际的数据操作长度为24位；

如果SPI为读操作时，传递参数为寄存器的地址，函数返回时读取寄存器的16位值。其SPI的读操作通过函数UINT16 SPIDrvRead(UINT8 u8Addr)来实现；

MC13192内部有125字节的收发缓冲区，收发缓冲区的读写采用SPI读写方式。

4、LCD模块的功能主要用来显示接收端接收的数据，直观的把信息传递给观测者；

5、MC13213内部具有串行通信模块SCI，通过对SCI设置，可以实现硬件平台通过串口与PC机相连，选择波特率为38400b/s；

MC13213的CLKO管脚输出8种时钟频率，分别为可以为16MHz、8MHz、4MHz、2MHz、1MHz、62.5KHz、32.768KHz和16.393KHz。在软件编程中可以通过MLMESetMC13192ClockRate函数来实现输出时钟的大小。

作为优选，所述的协调器在一个ZigBee无线网络中应最先启动。一个全功能的设备在启动后，它将先进行能量检测，检查周围有没有其它的ZigBee网络的存在，如果存在一个ZigBee网络，选择一个父设备提出入网请求，并等待父设备的请求响应。如果没有检测到ZigBee网络，那么这个全功能设备就将作为协调器开始工作。在开始工作前，FFD设备根据能量扫描的结果选择一个合适的信道，并选择PANID，网络短地址等功能完成后启动协调器，允许终端设备加入。能量扫描的目的是检测协调器的工作区域内所指定的信道上没有其它的无线设备在工作，为协调器选择信道提供必要的支持，所以终端设备不需要能量检测。

设备通过扫描方式获得PAN的基本信息后，就可以向协调器发送入网请求，这一过程有终端设备来实现。协调器接收到终端设备发送的入网请求后，如果同意接收则分配给该设备一个16位短地址，并向设备发送相应原语。

设备入网以后就可以实现数据的发送与接收了，协调器在向RFD设备发送数据之前，先把数据缓存。在使用信标帧时，协调器将要发送的数据信息存放在信标帧里，RFD设备收到信标后，发现有协调器发过来的数据，则向协调器发送一个数据请求命令，协调器接收到这个命令后，将数据发送给RFD设备。如果网络不使用信标，则协调器等待接收RFD设备发来的询问原因，当接收到询问后，把数据发送给相应的RFD设备。此外，在使用信标网络中，协调器和RFD设备都可以运行低功耗模式。而在非信标网络，协调器要用稳定的电源，因为协调器一直处于接收状态。不管使不使用信标，发送数据的方式是一样的。首先构造一个数据帧，然后把这个用数据请求原语构造的数据帧发送给MAC层，可以使用函数voidApp_TransmitData(uint8_t*pData,uint8_t length)传输串口接收缓冲区接收到的数据。

作为优选，所述的终端设备加入网络的过程主要包括网络的发现、与协调器建立连接请求，建立连接后就可以发送数据了。

本发明选择WindowsXP操作系统、CodeWarrior软件开发环境以及硬件仿真器USB Multilink连接工具来完成程序的编写、调试；CodeWarrior软件开发工具支持飞思卡尔处理器芯片的软件编程、连接和源程序调试。使用CodeWarrior软件编写代码时，可以自动生成部分相关的C语言程序代码。

本发明的有益效果：1）网络节点数量大，但通信距离，数据传输量有限。网络节点大主要体现在在很大区域内，往往有成千上万个节点布置在该区域，节点数量大，但节点与节点之间的传输距离较短，一般在几十米范围内。在较小区域内，布设密集的节。这种通信速率要求不高，一般在1-100k即可。

2）传感器节点体积小，成本低，低功耗，网络节点耗电低，电池使用寿命长。为了方便实际应用，网络节点的硬件体积设计的比较小，便于安装。由于需求网络节点多，因此，在单节点上成本不能过高。如果要控制节点成本，网络系统能力就会降低，网络协议层次就不能复杂。

3）网络具有自组织性。在网络的使用过程中，一些节点由于电能耗尽或者其它的原因而遭到损坏，也可能由于工作的需要有新的节点设备被添加到网络中，因而网络的拓扑结构也将发生变化。由于网络中节点通信距离有限，如果希望与其网络覆盖范围之外的节点进行数据的通信，则需要通过路由中间节点进行连接。

4）网络以数据为中心，在无线传感器网络里，人们关心只是观测到在某一个区域的指标值，而不会去关心具体某个节点的位置。因此无线传感器网络是任务型网络，节点的网络地址号与节点位置没有必然的联系，所关心的只是要成功传送或接收的数据。

具体实施方式

本具体实施方式采用以下技术方案它包含以下步骤：

一、通过软件接口将程序下载到芯片；

二、通过硬件底层驱动处理器初始化和芯片初始化；

三、通过协调器构建并发送数据；

四、终端设备入网。

其中，所述的软件接口中MAC层与应用程序之间为用户提供了三种接口进行各种信息的交换三个接口分别为MLME-SAP、MCPS-SAP和ASP-SAP。MLME-SAP是管理单元接口，MCPS-SAP为数据单元接口，ASP-SAP接口为飞思卡尔所特有，为应用程序提供一些特定操作，例如使节点进入低功耗。

MAC层与上层之间的3个接口有6个服务访问点（SAP），又分别调用以6个不同C语言函数来完成不同的通信。其中，NWK_MLME_SapHandler()用来接收上层发送的MLME请求原语、NWK_MCPS_SapHandler()用来接收数据请求原语、NWK_ASP_SapHandler()接收应用程序的请求，以上这3个函数在MAC层内部实现以下三个函数是在应用程序里，分别为MLME_NWK_SaPHandler()、MCPS_NWK_SaPHandler()和ASP_NWK_SaPHandler()。MAC层与应用程序通过接口完成，这就需要了解服务原语和数据的结构，软件中在NwkMacInterface.h中对服务原语、数据结构、常量等进行了定义。接口中使用的一些数据类型：

mlmeMessage_t应用程序发送给MLME接口

mcpsMessage_t应用程序发送给MCPS接口

aspMessage_t应用程序发送给ASP接口

mcpsToNwkMessage_t MLME发送给ASP接口

mcpsToNwkMessage_t MCPS发送给ASP接口

nwkToMcpsMessage_t NWK发送给MCPS接口

所述的硬件初始化主要包括处理器初始化和射频芯片MC13192初始化，处理器初始化程序包括SPI接口设置、中断功能设置、LCD驱动软件、SCI串口设置以及ATD转换初始化等。MC13192的中断引脚与处理器的外部中断申请引脚相连，处理器的外中断的控制与状态信息集中在一个控制寄存器IRQSC中。硬件中的应用设置为下降沿触发，在边沿触发时IRQACK位写入1，为了清除以前可能产生的中断。

2、MCU初始化包括了I/O口、SPI和中断等初始化；

3、处理器对MC13192所有的操作都是通过SPI接口来完成的，在实现MC13192的初始化时，先要完成对SPI接口的程序设计。SPI接口程序有对射频芯片内部寄存器的采用的是单字节读写模式。SPI接口的CE信号线被拉低就开始了一次SPI操作，在单字读写方式下，数据格式一次实际的数据操作长度为24位，8位二进制“头部”信息和16位的操作数据。在时钟信号作用下，8位的“头部”先写入射频芯片内。在8位“头部”信息中，按顺序第一位为读写标志位，0表示了写操作，1表示了读操作。第二位用0表示，其余的6位表示指定访问的寄存器的地址。这种SPI操作方式能够对内部寄存器快速访问。对于寄存器的读写操作，在程序设计上是通过SPIDrvWrite函数和SPIDrvRead函数来实现。当SPI是写操作时，在写入“头部”后，还要继续提供16个SPICLK时钟脉冲。其程序如下，传递的两个参数一个是寄存器地址，另一个是写入寄存器的数据。SPI写操作是通过函数void SPIDrvWrite(UINT8 u8Addr,UINT16 u16Content)来实现。

如果SPI为读操作时，传递参数为寄存器的地址，函数返回时读取寄存器的16位值。其SPI的读操作通过函数UINT16 SPIDrvRead(UINT8 u8Addr)来实现。

MC13192内部有125字节的收发缓冲区，收发缓冲区的读写采用SPI读写方式。缓冲区的读操作通过函数UINT8 RAMDrvReadRx(tRxPacket*psRxPkt)来实现。缓冲区的写操作通过函数void RAMDrvWriteTx(tTxPacket*psTxPkt)来实现。

5、LCD模块的功能主要用来显示接收端接收的数据，直观的把信息传递给观测者；

所述的协调器在一个ZigBee无线网络中应最先启动。一个全功能的设备在启动后，它将先进行能量检测，检查周围有没有其它的ZigBee网络的存在，如果存在一个ZigBee网络，选择一个父设备提出入网请求，并等待父设备的请求响应。如果没有检测到ZigBee网络，那么这个全功能设备就将作为协调器开始工作。在开始工作前，FFD设备根据能量扫描的结果选择一个合适的信道，并选择PANID，网络短地址等功能完成后启动协调器，允许终端设备加入。能量扫描的目的是检测协调器的工作区域内所指定的信道上没有其它的无线设备在工作，为协调器选择信道提供必要的支持，所以终端设备不需要能量检测。

网络中协调器最先开始工作，可以任意选择它的网络短地址。选择好信道、PANID和网络短地址就可以使用函数App_StartCoordinator(void)选择网络启动的参数。

所述的终端设备加入网络的过程主要包括网络的发现、与协调器建立连接请求，建立连接后就可以发送数据了。

本具体实施方式选择WindowsXP操作系统、CodeWarrior软件开发环境以及硬件仿真器USB Multilink连接工具来完成程序的编写、调试；CodeWarrior软件开发工具支持飞思卡尔处理器芯片的软件编程、连接和源程序调试。使用CodeWarrior软件编写代码时，可以自动生成部分相关的C语言程序代码。

本具体实施方式网络节点数量大，但通信距离，数据传输量有限；传感器节点体积小，成本低，低功耗，网络节点耗电低，电池使用寿命长。网络具有自组织性。网络以数据为中心，在无线传感器网络里，人们关心只是观测到在某一个区域的指标值，而不会去关心具体某个节点的位置。因此无线传感器网络是任务型网络，节点的网络地址号与节点位置没有必然的联系，所关心的只是要成功传送或接收的数据。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.ZIGBEE无线组网方法，其特征在于它包含以下步骤：

一、通过软件接口将程序下载到芯片；

通过硬件底层驱动处理器初始化和芯片初始化；

通过协调器构建并发送数据；

终端设备入网。

2.根据权利要求1所述的ZIGBEE无线组网方法，其特征在于所述的软件接口中MAC层与应用程序之间为用户提供了三种接口进行各种信息的交换三个接口分别为MLME-SAP、MCPS-SAP和ASP-SAP。

3.根据权利要求1所述的ZIGBEE无线组网方法，其特征在于所述的硬件初始化主要包括处理器初始化和射频芯片MC13192初始化，处理器初始化程序包括SPI接口设置、中断功能设置、LCD驱动软件、SCI串口设置以及ATD转换初始化；MC13192的中断引脚与处理器的外部中断申请引脚相连，处理器的外中断的控制与状态信息集中在一个控制寄存器IRQSC中；硬件中的应用设置为下降沿触发，在边沿触发时IRQACK位写入1，为了清除以前可能产生的中断；

（1）、处理器的SPI接口与5个寄存器有关，分别为SPI控制寄存器1（SPI1C1）、SPI控制寄存器2（SPI1C2）、SPI波特率寄存器（SPI1BR）、SPI状态寄存器（SPI1S）以及SPI数据寄存器（SPI1D）；

（2）、MCU初始化包括了I/O口、SPI和中断等初始化；

（3）、处理器对MC13192所有的操作都是通过SPI接口来完成的，在实现MC13192的初始化时，先要完成对SPI接口的程序设计；SPI接口程序有对射频芯片内部寄存器的采用的是单字节读写模式；SPI接口的CE信号线被拉低就开始了一次SPI操作，在单字读写方式下，数据格式一次实际的数据操作长度为24位；

如果SPI为读操作时，传递参数为寄存器的地址，函数返回时读取寄存器的16位值，其SPI的读操作通过函数UINT16 SPIDrvRead(UINT8 u8Addr)来实现；

MC13192内部有125字节的收发缓冲区，收发缓冲区的读写采用SPI读写方式；

（4）、LCD模块的功能主要用来显示接收端接收的数据，直观的把信息传递给观测者；

（5）、MC13213内部具有串行通信模块SCI，通过对SCI设置，可以实现硬件平台通过串口与PC机相连，选择波特率为38400b/s。

4.根据权利要求1所述的ZIGBEE无线组网方法，其特征在于所述的协调器在一个ZigBee无线网络中应最先启动;一个全功能的设备在启动后，它将先进行能量检测，检查周围有没有其它的ZigBee网络的存在，如果存在一个ZigBee网络，选择一个父设备提出入网请求，并等待父设备的请求响应;如果没有检测到ZigBee网络，那么这个全功能设备就将作为协调器开始工作;在开始工作前，FFD设备根据能量扫描的结果选择一个合适的信道，并选择PANID，网络短地址等功能完成后启动协调器，允许终端设备加入；能量扫描的目的是检测协调器的工作区域内所指定的信道上没有其它的无线设备在工作，为协调器选择信道提供必要的支持，所以终端设备不需要能量检测。

5.根据权利要求1或4所述的ZIGBEE无线组网方法，其特征在于设备入网以后就可以实现数据的发送与接收了，协调器在向RFD设备发送数据之前，先把数据缓存；在使用信标帧时，协调器将要发送的数据信息存放在信标帧里，RFD设备收到信标后，发现有协调器发过来的数据，则向协调器发送一个数据请求命令，协调器接收到这个命令后，将数据发送给RFD设备；如果网络不使用信标，则协调器等待接收RFD设备发来的询问原因，当接收到询问后，把数据发送给相应的RFD设备；此外，在使用信标网络中，协调器和RFD设备都可以运行低功耗模式；而在非信标网络，协调器要用稳定的电源，因为协调器一直处于接收状态；不管使不使用信标，发送数据的方式是一样的；首先构造一个数据帧，然后把这个用数据请求原语构造的数据帧发送给MAC层，可以使用函数voidApp_TransmitData(uint8_t*pData,uint8_t length)传输串口接收缓冲区接收到的数据。

6.根据权利要求1所述的ZIGBEE无线组网方法，其特征在于所述的终端设备加入网络的过程主要包括网络的发现、与协调器建立连接请求，建立连接后就可以发送数据了。