基于ZigBee的中低速汽车网络系统

张天恒，秦效辉，凌 旭，浦红吉

现代汽车已将手机蓝牙免提、DVD播放、自动巡航控制等功能整合到汽车内部，与动力系统相结合，甚至还预留了用户可配置功能，使用户感到既舒适又方便，而这都与汽车网络技术息息相关。使用线束方式将控制器分别与被控模块相连，势必增加线束的成本、布线复杂度和整车质量，因此采用ZigBee技术与汽车总线的方式实现与各被控模块之间的通信是高性价比的理想选择［1］。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都不能适应汽车技术的发展。为此，本文提出的基于ZigBee技术的汽车网络系统具有重要的实际应用价值和理论意义。

20世纪90年代中期美国汽车工程师协会(SAE)根据数据传输速度的高低，定义了A、B、C三类网络［2］。ZigBee是一种新兴的短距离、无线网络技术，采取了IEEE 802.15.4的无线物理层规定［3-7］，其传输速率可以达250 kb/s，能满足A类和B类以及部分C类网络的要求。该技术具有低功耗、低成本、安全、可靠、抗干扰强等优良特点，并且避免了复杂的车内布线。若整个汽车网络由CAN技术和ZigBee技术相结合，由CAN技术实现高速率网络要求，ZigBee技术实现中低速率网络的要求，则既能满足对汽车实时闭环控制的多路传输的要求，又能解决车内有限空间布线难的问题。

1 系统总体结构设计

整个汽车网络主要包含有面向高速、实时闭环控制的多路传输网和面向独立模块间数据共享、传感器/执行器控制的中低速网络。其中:多路传输网主要由CAN网络实现;中低速网络主要由ZigBee网络实现。系统的总体结构如图1所示。CAN主控制器直接对C类网络中的单元进行控制，ZigBee网络中的主节点(协调器)对其子节点(子设备)进行分级控制，协调器与系统的主控制器进行通信。

图1 系统的总体结构

2 系统的主要硬件设计

2.1 ZigBee网络节点的设计

图2为整个网络节点结构，主要由电源模块、传感器模块处理器模块和无线通信模块构成。

图2 网络节点结构

无线通信模块和处理器模块采用了CC2430芯片。CC2430芯片是TI公司提供的支持ZigBee协议的片上系统解决方案［3］，延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、MEMORY和MCU。它使用1个8位MCU(8051)，具有128KBFLASH和8 KB的随机存储器。芯片上还有A/D、数个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32kHz晶振的休眠模式定时器(Sleep mode timer)、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brownout detection)，以及21个可编程I/O引脚。21个可编程的I/O口引脚中，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组特殊功能寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接模数转换控制器、计时器或UART部件的外围设备I/O口使用。网络节点采用CC2430后将大大简化射频电路的设计。

2.2 协调器的接口电路设计

系统中主要的接口设计就是协调器与CAN控制器的接口设计。选用 PHILIPS公司的SJA1000作为CAN控制器芯片［3］，连接各种类型微处理器的CAN控制器中SJA1000可完成物理层和数据链路层的所有功能，适用于汽车及一般工业环境，不但可以减少导线连接，而且能增强诊断和监控能力。PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器接口，是CAN Control与Physical Bus之间的接口，对CAN Control提供差动接收能力，对总线提供差动发送能力［8］。

主结点与子结点在CC2430芯片之间以无线的方式通信。主结点芯片CC2430与CAN控制器SJA1000的接口电路如图3所示(图中只给出了接口电路的主要部分)。

图3 CC2430与SJA1000的接口电路

3 系统的主要软件设计

3.1 ZigBee网络的组建

完整的Zigbee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。

应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体包括:安全与鉴权;多个业务数据流的会聚;设备发现;业务发现。

网络层将主要考虑采用的网络协议，应包含以下功能:①通用的网络层功能，包括拓扑结构的搭建和维护;② 同IEEE802.15.4标准一样，非常省电;③有自组织、自维护功能。

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协议包只能实现在无线模块之间进行无目的的广播方式的无线通信。要使收发器组建一个有效的无线传感器网络，并且能与其他的ZigBee产品相兼容，软件设计必须严格遵守IEEE 802.15.4协议，并在SMAC协议包构架的基础上进一步对协议进行扩展［9］。

3.2 ZigBee网络的抗干扰和安全服务规范

在低信噪比环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能。在物理层采用高处理增益的直接序列/频率捷变DS/FA技术(direct sequence/frequency agility)。频率捷变就是改变频率，以避开从一个信号源或已知干扰源来的影响的能力。实验证明IEEE 802.15.4/ZigBee的误码率，特别是在信噪比为4 dB的情况下可达到10～9，而达到同样误码率，蓝牙802.15.1信噪比要达16 dB，802.11b要达10 dB，因此ZigBee的抗干扰性能明显高于蓝牙和WLAN技术。

ZigBee提供的安全服务包括密钥建立、密钥传输、帧保护和设备管理的方法。这些服务构成了服务模块，用于在 ZigBee网络中执行安全策略［6］。

密钥建立协议由原语APSME-ESTABLISHKEY.REQUEST来初始化。在2个设备之间成功建立密钥的必要的原语传输次序如图4所示。在安全规范中，对所有的帧和域的格式根据其在NWK层传输的次序进行了描述。从左到右，最左边的位首先传输。每个域里的位数字从0到k-1，该域的位长度为k。比单个字节长的域将有次序地发送到下一层，该域包括最低数字位的字节到包含最高数字位的字节。

图4 成功建立密钥的过程

4 结束语

随着电子工业和汽车工业的紧密结合，汽车电子得到了飞速的发展，电子网络技术现已几乎深入到汽车的所有系统。ZigBee网络应用于汽车系统的中低速网络中，在改善汽车动力性、经济性、安全性、行驶稳定性和乘坐舒适性上发挥着不可替代的作用。采用ZigBee网络技术将是解决汽车所面临的诸多技术问题的最佳方案。

［1］Nicolas Navet，Yeqiong Song.Fran Coise Simonot-Lion，and Cedric Wilwert.Trends in Automotive Communication Systems［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93(6):6.

［2］IEEE STD 802.15.4［S］.

［3］Texas Instruments.Datasheet.CC2430［S］.

［4］王钦.基于ZigBee技术的无线传感网络研究与实现［J］.重庆理工大学学报:自然科学版，2011(8):46-51.

［5］李彤，李闯，常成.基于ZigBee协议的短距离无线通信节点设计［J］.四川兵工学报，2012(7):103-105.

［6］严天峰，陈君胜，杨超.基于ZigBee技术的远端通信站监控系统及其实现［J］.自动化与仪器仪表，2011(1):96-98.

［7］姚晓通，崔小川.基于ZigBee无线传感器网络在智能家居中的应用研究［J］.自动化与仪器仪表，2011(2):10.

［8］Philips Semiconductors.Datasheet.SJA1000_3［S］.

［9］顾瑞红，张宏科.基于ZigBee的无线网络技术及其应用［J］.电子技术应用，2005(6):1-3.