来源：微计算机信息 作者：赵晨 何波 王睿

摘要：本文简要介绍了zigbee技术，详细的说明了针对使用pic18系列单片机为控制器、cc2420为rf收发器的zigbee节点的硬件组成，并从zigbee通信协议及协议栈的构架等方面阐述了zigbee无线通信网络的实现。

关键词：zigbee，cc2420，通信协议，协议栈

0 引言

为满足小型、低成本设备的无线联网要求，2000年12月ieee成立了ieee802.15.4工作组，致力于定义一种适于固定、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术——zigbee技术。本文针对使用pic18系列单片机及cc2420为rf收发器，从zigbee节点的硬件及zigbee通信协议和协议栈方面，介绍了zigbee无线通信网络的组成。

1 zigbee技术简介

2002年8月zigbee联盟成立，由英国invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成。ieee802.15.4的zigbee标准于2003年5月获得批准。

zigbee技术的物理层和链路层协议主要采用ieee802.15.4标准，而zigbee联盟负责网络层和应用层的开发，以及制定其安全协议和市场推广等。ieee802.15.4定义了两个物理层标准，分别是2.4ghz物理层和868/915 mhz物理层。两个物理层都基于dsss直接序列扩频技术，使用相同的物理层数据包格式。zigbee在2.4 ghz频段有16个信道，能够提供250 kb/s的传输速率，采用o-qpsk调制；915 mhz和868 mhz分别是欧洲和美国的ism 频段，这两个频段的引入避免了2.4 ghz附近各种无线通信设备的相互干扰。在916mhz频段有10个信道，传输速率为是40 kb/s，在868 mhz频段只有一个信道，传输速率为20 kb/s，这两个频段都采用bpsk调制。

2 zigbee节点的硬件构成

2.1 典型的zigbee节点硬件

zigbee协议栈对系统微处理器的要求有：8位微处理器；完全的协议栈：rom<32k；简单功能节点协议栈：rom约6k；协调器还需要足够的ram，用于保存节点器件数据库、传输路由表等。

可供选用的单片机种类较多，本设计所选用的是pic18系列的单片机，因此要创建典型的zigbee节点至少必须具备以下组件：一片带spi接口的pic18f单片机；一个带有所需外部元件的rf收发器；一根天线，可以是pcb上的引线形成的天线或单极天线。zigbee节点的构成如图1所示，控制器通过spi总线和一些离散控制信号与rf收发器相连。控制器充当spi主器件而rf收发器充当从器件。控制器实现了ieee 802.15.4 mac层和zigbee协议层。

在rf收发器上，本设计选用了chipcon公司的cc2420射频收发器，它实现zigbee协议的物理层(phy)及媒体访问控制器(mac)层，具备65,000个节点通道并可随时扩充，以及低耗电、250kbps传输速率、快速唤醒时间(<30ms)、csma-ca通道状态侦测等特性。

2.2 zigbee节点硬件电路实现

cc2420只需要极少的外围元器件, 其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/ 输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供,也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容, 电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。射频输入/ 输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗。cc2420可以通过4线spi总线(si、so、sclk、csn) 设置芯片的工作模式, 并实现读/ 写缓存数据,读/ 写状态寄存器等。通过控制fifo和fifop管脚接口的状态可设置发射/ 接收缓存器。在数据传输过程中csn必须始终保持低电平。另外, 通过cca管脚状态的设置可以控制清除通道估计, 通过sfd管脚状态的设置可以控制时钟/ 定时信息的输入。

如图2所示，为cc2420的外围电路及与pic18系列单片机的连接方式。此外，cc2420需要3.3v的电源电压，可以选用pic18系列单片机中的低压型号，使控制器和rf收发器均使用3.3v电源电压。

3 zigbee通信协议

3.1 ieee 802.15.4mac数据包

在本文的第一部分，已经对ieee 802.15.4规范做了介绍，以下补充mac层数据包的部分内容。ieee 802.15.4 mac数据包的最大长度为127字节，每个数据包都由头字节和16位crc 值组成,16位crc值验证帧的完整性。此外，ieee 802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制，使用这种方法，所有特殊ack标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。如果发送帧的时候置位了ack标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。

3.2 网络配置与网络关联

zigbee无线网络可采用多种类型的网络配置。本设计使用星型