ZigBee系统软件的设计与开发

1）ZigBee系统软件设计事项

（1）ZigBee协议栈

ZigBee系统软件的开发是在厂商提供的ZigBee协议栈的MAC子层和物理层基础上进行的，涉及传感器的配合和网络架构等问题。

协议栈分有偿和无偿两种。无偿的协议栈能够满足简单应用开发的需求，但不能提供ZigBee规范定义的所有服务，有些内容需要用户自己开发。例如，Microchip公司为产品PICDEMO开发套件提供了免费的MP ZigBee协议栈，Freescale公司为产品13192DSK套件提供了S－MAC协议栈。

有偿的协议栈能够完全满足ZigBee规范的要求，提供丰富的应用层软件实例、强大的协议栈配置工具和应用开发工具。一般的开发板都提供有偿协议栈的有限使用权，如购买Freescale公司的13192DSK和TI公司的Chipcon开发套件，可以获得F8的Z－Stack和ZTrace等工具的90天使用权。单独购买有偿的协议栈及开发工具比较昂贵，在产品有希望大规模上市的前提下才可以考虑购买。

（2）ZigBee芯片

现在芯片厂商提供的主流ZigBee控制芯片在性能上大同小异，比较流行的有Freesca1e公司的MC13192和Chipcon公司的CC2420。它们在性能上基本相同，两家公司提供的免费协议栈MC13192 802.15和MpZBee v1.0－3.3都可以实现树型网、星型网和网状网。

但其主要问题在于ZigBee芯片和微处理器（MCU）之间的配合。每个协议栈都是在某个型号或者序列的微处理器和ZigBee芯片配合的基础上编写的。如果要把协议栈移植到其他微处理器上运行，需要对协议栈的物理层和MAC层进行修改，在开发初期这会非常复杂。因此芯片型号的选择应保持与厂商的开发板一致。

对于集成了射频部分、协议控制和微处理器的ZigBee单芯片和ZigBee协议控制与微处理器相分离的两种结构，从软件开发角度来看，它们并没有什么区别。以CC2430为例，它是CC2420和增强型51单片机的结合。所以对开发者来说，选择CC2430还是选择CC2420加增强型51单片机，在软件设计上是没有什么区别的。

（3）硬件开发

ZigBee应用大多采用4层板结构，需要满足良好的电磁兼容性能要求。天线分为PCB天线和外置增益天线，多数开发板都使用PCB天线。在实际应用中，外置增益天线可以大幅度提高网络性能，包括传输距离、可靠性等，但同时也会增大体积，需要均衡考虑。制板和天线的设计都可以参考主要芯片厂商提供的参考设计。

RF芯片和控制器通过SPI和一些控制信号线相连接。控制器为SPI主设备，RF射频芯片为从设备。控制器负责IEEE 802.15.4 MAC子层和ZigBee部分的工作。协议栈集成完善的RF芯片的驱动功能，用户无须处理这些问题。系统通过非SPI控制信号驱动所需要的其他硬件，如各种传感器和伺服器等。

微控制器可以选用任何一款低功耗单片机，但程序和内存空间应满足协议栈的要求。射频芯片可以选用任何一款满足IEEE 802.15.4要求的芯片，通常可以使用Chipcon公司的CC2420射频芯片。硬件在开发初期应以厂家提供的开发板为基础进行制作，在实现基本功能后，再进行设备精简或者扩充。CC2530是一款集ZigBee协议控制、增强型51单片机和射频模块于一体的控制器，可满足大多数应用需求。

通常需要为微控制器和RF芯片提供3.3V电源。根据不同的情况，可以使用电池或者市电供电。一般来说，ZigBee协调器和路由器需要市电供电，端点设备可以使用电池供电。要注意RF射频芯片工作电压范围的设置。(www.xing528.com)

2）ZigBee系统软件设计过程

ZigBee网络系统软件设计的主要过程如下：

（1）建立Profile

Profile是关于逻辑器件和它们的接口的定义，约定了结点间进行通信时的应用层消息。ZigBee设备生产厂家之间通过共用Profile，可以实现良好的互操作性。研发一种新的应用可以使用已经发布的Profile，也可以自己建立Profile。自己建立的Profile需要经过ZigBee联盟的认证和发布，相应的应用才有可能是ZigBee应用。

（2）初始化

包括ZigBee协议栈的初始化和外围设备的初始化。

在初始化协议栈之前，需要先进行硬件的初始化。例如，首先要对CC2420和单片机之间的SPI接口进行初始化，然后对连接硬件的端口进行初始化，像连接LED、按键、AD／DA等的接口。

在硬件初始化完成后，就要对ZigBee协议栈进行初始化了。这一步骤决定了设备类型、网络拓扑结构、通信信道等重要的ZigBee特性。一些公司的协议栈提供专用的工具对这些参数进行设置，如Microchip公司的ZENA，Chipcon公司的SmartRF等。如果没有这些工具，就需要参考ZigBee规范，在程序中进行人工设置。

以上的初始化完成后，开启中断，然后程序进入循环检测，等待某个事件触发协议栈状态改变并作相应处理。每次处理完事件，协议栈又重新进入循环检测状态。

（3）编写应用层代码

ZigBee设备都需要设置一个变量来保存协议栈当前执行的原语。不同的应用代码都要通过ZigBee和IEEE 802.15.4定义的原语与协议栈进行交互。也就是说，应用层代码通过改变当前执行的原语，使协议栈进行某些工作。而协议栈也可以通过改变当前执行的原语，告诉应用层需要做哪些工作。

协议栈通过对ZigBee任务处理函数的调用而被触发改变状态，并对某条原语进行操作，这时程序将连续执行整条原语的操作，或者响应一个应用层原语。协议栈一次只能处理一条原语，所以所有原语用一个集合表示。每次执行完一条原语后，必须设置下一条原语作为当前执行的原语，或者将当前执行的原语设置为空，以确保协议栈保持工作。

总之，应用层代码需要做的工作就是改变原语，或者对原语的改变做出相应动作。