3? 網絡節點的軟件設計

　　3.1? SMAC協議包簡介

　　Freescale公司提供足夠的軟件支持MC13192硬件，SMAC是MC13192射頻模塊產品隨機附帶的軟件協議包，用于簡單的個人無線連接。SMAC協議包源程序是C語言，該協議包可以應用在基于MC13192集成電路的RF收發器中。協議包包含一個SMAC應用模版以及幾個應用示例程序（Wireless UART、Packet Error Rate等），可以直接應用于Freescale公司的2.4 GHz無線收發器*估板（MC13192EVB）。SMAC協議包雖是建立于HCS08系列的MCU和其串行接口SPI組成的硬件電路，但是具有很好的可移植性，能夠移植到大多數處理器內核中使用。

　　3.2? 軟件設計構架

　　當MC13192射頻模塊搭配了適合的MCU時，用戶首先要在SMAC協議包的基礎上弄明白收發器各個工作狀態的基本特征，以及各個工作狀態之間的轉換機制。然后更改SMAC協議包中硬件接口部分的程序，在主程序中調用相應功能服務函數進行組合。整個SMAC協議構架采用狀態轉換的思想，清楚地將MC13192收發器的休眠、睡眠、空閑、發送、接收等狀態抽象并分解出來，收發器對接收到數據的有效信息的相應字段進行判斷之后，依據協議改變收發器的工作狀態。

　　SMAC協議包是不包含ZigBee規范的網絡層的，也就是說該協議包中不具有組網通信、節點自主加入的功能程序，使用SMAC協議包只能夠實現無線模塊之間進行無目的的廣播方式的無線通信。要使用MC13192收發器組建一個有效的無線傳感器網絡，并且能夠與其他的ZigBee產品相兼容，軟件設計必須嚴格遵守IEEE 802.15.4協議，在SMAC協議包構架的基礎上進一步對協議進行擴展。本文成功實現了非超幀結構的星形網絡，具體軟件流程如圖4所示。

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　　3.3? 組網的基本過程

　　PAN協調器選定創建網絡的信道后，首先要初始化網絡的各種屬性，建立協調器的PAN信息數據庫，分配網絡ID號和16位的網絡短地址，設定允許設備入網機制并初始化設備近鄰表，然后進入接收模式等待其他節點加入。網絡節點上電后，也要初始化內部資源并建立其自身節點的PAN信息數據庫之后，發送掃描信號進而準備通過MAC層關聯過程加入網絡。

　　網絡節點先以廣播方式發送一個掃描信號，查看當前信道是否存在PAN。協調器收到廣播信號后會發送一個確認幀。網絡節點若沒有收到確認幀就代表當前信道還沒有協調器，則繼續處于接收模式，等待協調器發現該節點后直接將其加入網絡；若收到確認幀，即存在PAN，該節點就可以嘗試加入網絡。網絡節點首先向PAN協調器發送信標請求命令，收到協調器的信標幀后，根據信標幀更新自身節點的信息數據庫中的PAN標識等相關屬性，并判斷當前PAN協調器是否未飽和以及是否允許設備入網。若協調器允許設備入網，網絡節點就要向協調器發送關聯請求命令，嘗試通過關聯方式加入網絡。協調器收到后把該節點信息（如64位擴展地址等）寫入設備近鄰表并向該節點分配16位的網絡短地址。該節點收到協調器的關聯響應命令后，把短地址寫入其數據信息庫，即成功入網。然后網絡節點按照功能設定使用此短地址向協調器發送信息。網絡節點一般為電池供電，在空閑狀態時就會進入休眠節能狀態。外圍電路的控制主要是針對傳感器、開關、LED等器件的控制，可隨時根據不同需求對軟件進行相應修改。

　　3.4? 調試及運行

　　MC13192包括4種主動模式：空閑模式、TX模式、RX模式和CCA/能量檢測模式。空閑模式是退出低功耗模式后的缺省模式，每次各個模式間轉換的起點必須是空閑模式，從該模式起才能轉化到其他主動模式。

　　MC13192發送片上事件給主控MCU通過中斷（IRQ）來完成，作為主機的外部中斷源，主機通過讀MC13192的中斷標志寄存器IRQ_status的相應標志位來判別各個片上事件的發生。然而IRQ的中斷優先級在MCU中僅次于復位信號，比計數器中斷、鍵盤中斷等優先級都要高，因此當程序中涉及其他中斷時,用戶須先屏蔽MCU的外部中斷源（IRQ），再單獨打開要使用的中斷源。

　　4? 應用

　　目前，本設計已被應用于某紡織車間線路改造的項目中。該車間有200臺紡機，每臺紡機獨立工作。現在工廠要對車間實行統一控制，需要在每臺紡機上安裝.，把紡機數據實時上傳給中央控制器。中央控制器通過控制每臺紡機的停車狀態、車速、打緯次數、加時產量等信息，進而控制整個車間的運行狀態。這樣既可提高車間的生產效率，又使車間易于管理。若采用CAN總線等有線網絡進行控制，由于車間各臺紡機布線通道已經固定，且車間的空間較小，這些因素給車間的線路設計造成了不便，而且走線的過于密*給車間增加安全隱患。

　　ZigBee無線網絡的引入，解決了該車間布局下的多臺設備之間不易走線的問題。中央控制器相當于PAN協調器，而每臺紡機的.相當于終端設備。網絡中只有這兩種角色，不需要增加PAN協調器。每臺紡機每0.5 s上傳一次數據，而且最遠的紡機距離區域控制器也在80 m之內，這些因素ZigBee星形網絡都能夠滿足。網絡中的應答機制和數據校驗機制能夠保證紡機數據的可靠傳輸，而且網絡節點功耗極低。測試表明，MC13192工作在停止、休眠、睡眠、空閑各模式時的工作電流依次為0.2 μA、1 μA、35 μA、200 μA。采用了低功耗的ZigBee無線技術之后，車間節約了大量成本。

　　5? 結論

　　本文利用Freescale公司的8位微處理器MC9S08GT60和射頻模塊MC13192在硬件上實現了網絡節點的設計。通過對協議包SMAC進行分析，在原有協議框架的基礎上對其進行擴展，在軟件上實現了ZigBee星形網絡的組建。該網絡實現了多個節點的自動入網、網間可靠通信等功能，并且成功應用于紡織車間線路改造的項目中。

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