网络节点的软件设计 - 组建SMAC协议构架的ZigBee星形网络

　　3  网络节点的软件设计

　　3.1  SMAC协议包简介

　　Freescale公司提供足够的软件支持MC13192硬件，SMAC是MC13192射频模块产品随机附带的软件协议包，用于简单的个人无线连接。SMAC协议包源程序是C语言，该协议包可以应用在基于MC13192集成电路的RF收发器中。协议包包含一个SMAC应用模版以及几个应用示例程序（Wireless UART、Packet Error Rate等），可以直接应用于Freescale公司的2.4 GHz无线收发器*估板（MC13192EVB）。SMAC协议包虽是建立于HCS08系列的MCU和其串行接口SPI组成的硬件电路，但是具有很好的可移植性，能够移植到大多数处理器内核中使用。

　　3.2  软件设计构架

　　当MC13192射频模块搭配了适合的MCU时，用户首先要在SMAC协议包的基础上弄明白收发器各个工作状态的基本特征，以及各个工作状态之间的转换机制。然后更改SMAC协议包中硬件接口部分的程序，在主程序中调用相应功能服务函数进行组合。整个SMAC协议构架采用状态转换的思想，清楚地将MC13192收发器的休眠、睡眠、空闲、发送、接收等状态抽象并分解出来，收发器对接收到数据的有效信息的相应字段进行判断之后，依据协议改变收发器的工作状态。

　　SMAC协议包是不包含ZigBee规范的网络层的，也就是说该协议包中不具有组网通信、节点自主加入的功能程序，使用SMAC协议包只能够实现无线模块之间进行无目的的广播方式的无线通信。要使用MC13192收发器组建一个有效的无线传感器网络，并且能够与其他的ZigBee产品相兼容，软件设计必须严格遵守IEEE 802.15.4协议，在SMAC协议包构架的基础上进一步对协议进行扩展。本文成功实现了非超帧结构的星形网络，具体软件流程如图4所示。

　　

 

　　3.3  组网的基本过程

　　PAN协调器选定创建网络的信道后，首先要初始化网络的各种属性，建立协调器的PAN信息数据库，分配网络ID号和16位的网络短地址，设定允许设备入网机制并初始化设备近邻表，然后进入接收模式等待其他节点加入。网络节点上电后，也要初始化内部资源并建立其自身节点的PAN信息数据库之后，发送扫描信号进而准备通过MAC层关联过程加入网络。

　　网络节点先以广播方式发送一个扫描信号，查看当前信道是否存在PAN。协调器收到广播信号后会发送一个确认帧。网络节点若没有收到确认帧就代表当前信道还没有协调器，则继续处于接收模式，等待协调器发现该节点后直接将其加入网络；若收到确认帧，即存在PAN，该节点就可以尝试加入网络。网络节点首先向PAN协调器发送信标请求命令，收到协调器的信标帧后，根据信标帧更新自身节点的信息数据库中的PAN标识等相关属性，并判断当前PAN协调器是否未饱和以及是否允许设备入网。若协调器允许设备入网，网络节点就要向协调器发送关联请求命令，尝试通过关联方式加入网络。协调器收到后把该节点信息（如64位扩展地址等）写入设备近邻表并向该节点分配16位的网络短地址。该节点收到协调器的关联响应命令后，把短地址写入其数据信息库，即成功入网。然后网络节点按照功能设定使用此短地址向协调器发送信息。网络节点一般为电池供电，在空闲状态时就会进入休眠节能状态。外围电路的控制主要是针对传感器、开关、LED等器件的控制，可随时根据不同需求对软件进行相应修改。

　　3.4  调试及运行

　　MC13192包括4种主动模式：空闲模式、TX模式、RX模式和CCA/能量检测模式。空闲模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各个模式间转换的起点必须是空闲模式，从该模式起才能转化到其他主动模式。

　　MC13192发送片上事件给主控MCU通过中断（IRQ）来完成，作为主机的外部中断源，主机通过读MC13192的中断标志寄存器IRQ_status的相应标志位来判别各个片上事件的发生。然而IRQ的中断优先级在MCU中仅次于复位信号，比计数器中断、键盘中断等优先级都要高，因此当程序中涉及其他中断时,用户须先屏蔽MCU的外部中断源（IRQ），再单独打开要使用的中断源。

　　4  应用

　　目前，本设计已被应用于某纺织车间线路改造的项目中。该车间有200台纺机，每台纺机独立工作。现在工厂要对车间实行统一控制，需要在每台纺机上安装.，把纺机数据实时上传给中央控制器。中央控制器通过控制每台纺机的停车状态、车速、打纬次数、加时产量等信息，进而控制整个车间的运行状态。这样既可提高车间的生产效率，又使车间易于管理。若采用CAN总线等有线网络进行控制，由于车间各台纺机布线通道已经固定，且车间的空间较小，这些因素给车间的线路设计造成了不便，而且走线的过于密*给车间增加安全隐患。

　　ZigBee无线网络的引入，解决了该车间布局下的多台设备之间不易走线的问题。中央控制器相当于PAN协调器，而每台纺机的.相当于终端设备。网络中只有这两种角色，不需要增加PAN协调器。每台纺机每0.5 s上传一次数据，而且最远的纺机距离区域控制器也在80 m之内，这些因素ZigBee星形网络都能够满足。网络中的应答机制和数据校验机制能够保证纺机数据的可靠传输，而且网络节点功耗极低。测试表明，MC13192工作在停止、休眠、睡眠、空闲各模式时的工作电流依次为0.2 μA、1 μA、35 μA、200 μA。采用了低功耗的ZigBee无线技术之后，车间节约了大量成本。

　　5  结论

　　本文利用Freescale公司的8位微处理器MC9S08GT60和射频模块MC13192在硬件上实现了网络节点的设计。通过对协议包SMAC进行分析，在原有协议框架的基础上对其进行扩展，在软件上实现了ZigBee星形网络的组建。该网络实现了多个节点的自动入网、网间可靠通信等功能，并且成功应用于纺织车间线路改造的项目中。