基于CC2430和ZigBee2006協(xié)議棧的通信模塊設計

摘要：介紹了CC2430芯片的基本特性和ZigBee2006協(xié)議棧的基本內(nèi)容。論述了以CC22430芯片為核心的無線通信模塊的硬件設計，和以ZigB-ee2006協(xié)議棧為基礎的軟件設計。在實現(xiàn)短距離多網(wǎng)絡節(jié)點間的無線通信的同時，使用串口實現(xiàn)無線通信模塊與終端采集部分和本地控制部分的數(shù)據(jù)傳輸。
關鍵詞：CC2430；串口；ZigBee2006協(xié)議

引言
    隨著微電子技術、汁算技術和無線通信等技術的進步，無線傳感器網(wǎng)絡被列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。它能夠實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對其進行處理。傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，是構成無線傳感器網(wǎng)絡的基礎平臺。
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，是一組基于IEEE 802.15.4無線標準研制開發(fā)的，有關組網(wǎng)、安全和應用軟件的技術標準。它具有功耗低、成本低、安全、工作頻段靈活等優(yōu)點，通過和傳感器組成無線傳感器ZigBee網(wǎng)絡，使得數(shù)據(jù)的自動采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

1 CC2430及ZigBee協(xié)議棧體系結構
    CC2430是真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2．4 GHz ISM波段應用對低成本、低功耗的要求。它結合了高性能的2．4GHz DSSS(直接序列擴頻)射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。CC22430在單個片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB的編程閃存和8 KB的RAM，還包含模／數(shù)轉換器(ADC)、定時器(Timer)、AES128安全協(xié)處理器、看門狗定時器(watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路以及21個可編程I／0引腳。CC2430的8051內(nèi)核的目標代碼兼容標準8051微處理器，可以使用標準8051的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。其21個可編程I／O引腳均可以通過軟件設定1組SFR寄存器的位和字節(jié)，使這些引腳作為通常的I／O口或者作為接ADC、定時器或USART部件的外圍設備I／O口使用。
    ZigBee協(xié)議棧由一組子層構成，每層為其上層提供一組特定的服務：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務，管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為上層提供服務接口，并且每個SAP提供一系列的基本服務指令來完成相應的功能。ZigBee協(xié)議棧的體系結構模型如圖1所示，IEEE 802．15．4標準定義了物理層(PHY)和介質接入控制子層(MAC)；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡層和應用層(APL)框架的設計。

    ZigBee協(xié)議棧于2004年發(fā)布第1版，稱為ZigBee2004。ZigBee2004是全源代碼的協(xié)議棧，這個協(xié)議棧已經(jīng)有了網(wǎng)絡的概念，并能完成一些簡單的通信。但它只能組建串狀網(wǎng)絡和星狀網(wǎng)絡，如果需要組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡必須外加程序，另外在安全和路由方面也做得不是很理想。ZigB-ee2006協(xié)議棧很好地解決了網(wǎng)絡組網(wǎng)問題，整個協(xié)議棧的安全性更好，層次性更強，功耗方面也有了進步，并實現(xiàn)了網(wǎng)狀網(wǎng)絡。在ZigBee-2006協(xié)議棧中已經(jīng)將CC2430的底層驅動全部固化在協(xié)議棧中，可以直接調(diào)用。
    綜上所述，選用CC2430芯片作為無線通信模塊硬件核心芯片，軟件部分選用ZigBee2006協(xié)議棧來實現(xiàn)無線模塊之間的通信功能。

2 硬件設計
    無線通信部分作為監(jiān)測系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)傳輸通道，不僅需要實現(xiàn)無線通信模塊之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，同時還需要提供數(shù)據(jù)接口與終端數(shù)據(jù)采集部分及本地主控制系統(tǒng)以進行連接。系統(tǒng)結構如圖2所示。

    圖3所示為無線模塊硬件原理圖。電路選用CC2430芯片作為無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的核心CPU。選用1個32．768 kHz的石英諧振器(X2)和2個電容(C441和C431)組成32．768 kHz的晶振電路；選用1個32 MHz的石英諧振器(X1)和2個電容(C191和C211)組成32 MHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器可為所有要求1．8 V電壓的內(nèi)部電源供電，電容C241和C421是用來作為電源濾波的去耦合電容，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。電路中J1是10引腳JTAG仿真器接口，J2是3．3 V電源接口，J3是CC2430芯片擴展輸出口，在擴展輸出口上主要預留了SPI口和整個PO I／O口。設計了2個發(fā)光二極管指示燈，作為電路調(diào)試指示燈。使用1個非平衡天線，為了使天線性能更好，在天線與CC2430之間連接了1個非平衡變壓器。非平衡變壓器由電容C341和電感L321、L331、L341以及1個PCB微波傳輸線組成，整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。

3 協(xié)議棧軟件設計
    軟件開發(fā)的軟件環(huán)境：IAR 7．30B、數(shù)據(jù)分析儀、串口調(diào)試工具以及各硬件驅動軟件等；硬件環(huán)境：計算機、CC2430開發(fā)板等。
    系統(tǒng)軟件基于TI／Chipcon公司免費提供的ZigBee2006協(xié)議棧，以ZStack-1．4．3-1．2．1版本中GenericApp例程為基礎。GenericApp例子基本功能很齊全，而且在ZStack上實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。例程沒有多余的功能，所以是典型的ZStack模板，即為用戶提供了一個通用模板，可以通過它建立自己的應用程序。因此，建立一個項目的方法主要是改動應用層(APP)程序。
    無線通信模塊通過串口分別實現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集部分及本地主控制部分的連接。因此，應用層軟件主要功能是實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)和無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸。在ZStack程序中嵌入了實時操作系統(tǒng)，用于統(tǒng)一調(diào)度網(wǎng)絡組建、節(jié)點加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能運行。其工作機制主要是多任務事件運行機制，對于同一個任務可能有多種事件發(fā)生，需要執(zhí)行不同的事件處理。為了方便，對于每個任務的事件處理函數(shù)都統(tǒng)一在一個事件處理函數(shù)中實現(xiàn)，然后根據(jù)任務ID號(task id)和該任務的具體事件(event)調(diào)用某個任務的事件處理函數(shù)。進入該任務的事件處理函數(shù)之后，再根據(jù)event來判別是該任務的哪一種事件發(fā)生，進而執(zhí)行相應的事件處理。任務處理部分具體流程如圖4所示。

    下面詳細介紹串口部分和無線接收、發(fā)送部分程序。
3．1 串口部分程序
    (1)串口初始化
    主要是設置halUARTCfg_t結構體成員值：

    通過對halUARTCfg_t賦值，可以設置波特率、字符數(shù)、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗位和硬件流控等。其中call-BackFunc是自定義設置串口回調(diào)函數(shù)，即一旦串口有數(shù)據(jù)傳送，OSAL會就自動轉到自定義的回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行自定義的操作。
    (2)串口回調(diào)函數(shù)
    首先調(diào)用Hal_UART_RxBufLen(uint8 port)函數(shù)確定串口數(shù)據(jù)的長度，然后再調(diào)用HalUARTRead(uint8 port，uint8*buf，uintl6 len)讀取串口數(shù)據(jù)到自定義的串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并調(diào)用osal_set_event(byte task_id，UINTl6 event_flag)函數(shù)發(fā)送事件信號，進行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。
3．2 無線接收、發(fā)送部分程序
    (1)無線接收
    當有數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到應用層時，應用層會發(fā)送1個AE_INCOMING_MSG_CMD消息事件。
case AF_INCOMING_MSG_CMD：
    GenericApp_MessageMSGCB(MSGpkt)；
    break：
    這里表示收到AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件，然后調(diào)用收到消息事件的信息處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB(MSGpkt)，開始接收數(shù)據(jù)并通過涮用串口HalUARTWrite(uint8 port，uint8*buf，uintl6 len)寫函數(shù)發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)。
    (2)無線發(fā)送
    在串口回調(diào)函數(shù)中當串口有數(shù)據(jù)輸入時，應用層會發(fā)送1個GENERICAPP_SEND_MSG_EVT消息事件。

    調(diào)用GenericApp_SendThmMessage()數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，具體到TI／Chipcon公司所提供的ZigBee2006協(xié)議棧中即為AF_DataRequest()函數(shù)，具體形式如下：

結語
    本文以CC2430為主體設計了無線通信模塊的硬件，并選用TI／Chipcon公司免費提供的ZigBee2006協(xié)議棧作為軟件開發(fā)平臺。通過實驗驗證，設計的硬件節(jié)點基本達到了項目要求。經(jīng)調(diào)試，串口能夠正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠實現(xiàn)多個無線節(jié)點(1個協(xié)調(diào)器，3個終端設備)在50 m左右的通信和數(shù)據(jù)傳輸，并通過計算機串口調(diào)試軟件測試正確。