ZigBee協(xié)議的APS層 - 采用IEEE1451協(xié)議的無線變送器設(shè)計(jì)

　　應(yīng)用層包括應(yīng)用支持層(APS)、應(yīng)用框架(AF)和ZigBee設(shè)備對(duì)象。

　　支持層(APS)：主要包括APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元APDU的處理、APS數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制和節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)用對(duì)象綁定。

　　應(yīng)用框架(AF)：為各個(gè)用戶自定義的應(yīng)用對(duì)象提供了模板式的活動(dòng)空間，為每個(gè)應(yīng)用對(duì)象提供了鍵值對(duì)服務(wù)和報(bào)文服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。

　　ZigBee設(shè)備對(duì)象：主要包括設(shè)備服務(wù)發(fā)現(xiàn)。

　　3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文設(shè)計(jì)了WTIM模塊。該模塊用于采集和處理數(shù)據(jù)，并通過SPZB260模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給NCAP，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)、IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)。SPZB260是專門用于嵌入式開發(fā)的低功耗ZigBee模塊。

　　3.1 WTIM模塊

　　WTIM模塊主要包括STM32F103C微控制器、SPZB260模塊、信號(hào)調(diào)理器和傳感器。其架構(gòu)圖如圖3所示。其中，SPZB260模塊是與NCAP通信的模塊。

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　　圖3 WTIM模塊架構(gòu)圖

　　ADC在數(shù)據(jù)采樣中，使用了一階濾波算法：Y(n)=αX(n) (1-α)+Y(n-1)。式中：α為濾波系數(shù);X(n)為本次采樣值;Y(n-1)為上次濾波輸出值;Y(n)為本次濾波輸出值。

　　3.2 TEDS

　　IEEE1451每一層中都有與之對(duì)應(yīng)的TEDS。本文實(shí)現(xiàn)了PHYTEDS、MetaTEDS和TransducerChannel TEDS。其通用格式為：

　　structXXX_TEDS {

　　UInt32 TEDSlength;

　　TLV;

　　……

　　TLV;

　　UInt16 Checksum;

　　}

　　TEDSlength：XXX_TEDS結(jié)構(gòu)體中除了TEDSlength之外所有字段的長度和。

　　TLV：一種包含類型(Type)、長度(Length)、值(Value)三個(gè)字段的結(jié)構(gòu)體。

　　Type：XXX_TEDS各個(gè)TLV的ID。對(duì)于不同的TEDS，即使TLV的ID相同，代表的實(shí)際意義也不同。

　　Length：表示TLV結(jié)構(gòu)體中Value字段的長度。

　　Value：該字段填充的是具體的TEDS信息。

　　Checkum：提供了對(duì)XXX_TEDS中之前字段(包括TEDSlength和所有TLV字段)的校驗(yàn)和。

　　校驗(yàn)和計(jì)算公式如下：Checksum=0xFFFF-∑TEDSlength+2i=1TEDSOctet(i)

　　3.3 IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

　　IEEE1451支持3類無線通信協(xié)議，本文中實(shí)現(xiàn)的是ZigBee協(xié)議。IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)中的ZigBee協(xié)議定義了模塊功能、接口函數(shù)，以及NCAP和WTIM之間的無線通信協(xié)議。其定義的協(xié)議棧如圖4所示。

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　　圖4 IEEE1451.5標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議棧

　　PHY層、MAC層、NWK層由SPZB260提供。本文中需要實(shí)現(xiàn)APS層和IEEE1451.5會(huì)聚層。

　　APS層采用的是EZSP協(xié)議，可通過SPI接口實(shí)現(xiàn)。在WTIM模塊中，STM32F103C與SPZB260之間通過SPI進(jìn)行通信，其中 STM32F103C配置為SPI主設(shè)備，SPZB260配置為從設(shè)備。EZSP作為IEEE1451?5會(huì)聚層的應(yīng)用支持層(APS)，以NCAP為協(xié)調(diào)器的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

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　　圖5 IEEE1451.5的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　IEEE1451?5會(huì)聚層定義了IEEE1451?5和IEEE1451?0之間的模塊通信接口。其中，一部分接口由IEEE1451.5系統(tǒng)提供，被IEEE1451.0調(diào)用;另一部分由IEEE1451.0提供。

　　4 測(cè)試與結(jié)論

　　在測(cè)試中，針對(duì)的是溫度傳感器和濕度傳感器。測(cè)試WTIM節(jié)點(diǎn)分為兩個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有一個(gè)溫度傳感器和濕度傳感器。其中，WTIM1放在正常環(huán)境下，另一個(gè)節(jié)點(diǎn)WTIM2放置于一個(gè)裝滿水的容器上方。NCAP通過ZigBee與兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并可以通過主機(jī)監(jiān)控。測(cè)試時(shí)以10 Hz的頻率進(jìn)行采樣，其結(jié)果如圖6所示。

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　　圖6 WTIM1的溫濕度數(shù)據(jù)

　　測(cè)試結(jié)果表明，WTIM節(jié)點(diǎn)能正常獲取數(shù)據(jù)，并發(fā)送給NCAP，使得NCAP能夠正確地獲得各節(jié)點(diǎn)與響應(yīng)通道的信息，實(shí)現(xiàn)了無線變送器的功能。