基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)傳模塊設計

摘要：給出了基于ZigBee的無線數(shù)傳網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)方法。該無線數(shù)傳網(wǎng)絡系統(tǒng)基于UART串口通信協(xié)議，工作在無需申請的2．4GHz ISM頻段，并遵循IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議，可以在全球范圍內(nèi)應用而不用擔心與其它ZigBee用戶的地址相沖突。
關(guān)鍵字：CC2430；ZigBee；串口通信協(xié)議；無線傳感器網(wǎng)絡

O 引言
    短距離無線通信標準，如802．11家族、藍牙、IrDA、超寬帶無線通信、ZigBee等無線網(wǎng)絡技術(shù)的基礎(chǔ)是IEEE 802．15．4無線通信協(xié)議，它是新興的無線通信協(xié)議，是IEEE確定的低速個人區(qū)域網(wǎng)絡(Personal Area Net-work)標準。本文主要采用TI公司的系統(tǒng)級芯片(SOC) CC2430來研發(fā)符合ZigBee協(xié)議和IEEE802．15．4標準的2．4G ISM頻段的移動自組網(wǎng)無線路由數(shù)傳模塊的設計方法。

1 ZigBee無線通信標準的特點
    ZigBee無線通信標準相對于其他的無線通信標準具有比較明顯的特點和優(yōu)勢，如極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等等。現(xiàn)總結(jié)說明如下：
    ◇功耗低：ZigBee的傳輸速率低(10 KB／秒～250 KB／秒)，且發(fā)射功率僅為lmW，同時由于采用了低功耗模式，故其ZigBee設備非常省電；
    ◇成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，之后便很快降到了1．5～2．5美元，ZigBee的協(xié)議簡單而且占用空間小，也降低了開發(fā)成本；
    ◇時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短，典型的搜索設備時延為30 ms，休眠激活時延為15 ms，活動設備信道接入時延為15 ms。因此，ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合)等應用；
    ◇可靠性：由于采用碰撞避免策略，同時又為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，因而避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MlAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸出現(xiàn)問題，還可重發(fā)，因此，ZigBee技術(shù)十分可靠；
    ◇安全性：ZigBee提供有基于循環(huán)冗余碼校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，又采用了128位高等加密算法(AES：Advanced Enciyption Standard)，因此，各個應用可靈活確定其安全屬性。
    以上特點中，最關(guān)鍵的是網(wǎng)絡的可靠性和低功耗。因為在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、車載電子系統(tǒng)、家用網(wǎng)絡、醫(yī)療傳感器和伺服執(zhí)行機構(gòu)等領(lǐng)域中，對于無線網(wǎng)絡的要求與人們?nèi)粘Ｊ褂玫钠渌O備有很大區(qū)別。它通常要求是功耗非常低，而可靠性卻很高。針對功耗和高可靠性這兩方面的要求，ZigBee無線通信標準都有專門的設計。這也是ZigBee無線通信標準最突出和最優(yōu)秀的地方。

2 數(shù)傳模塊的具體指標
    根據(jù)數(shù)傳模塊的靈敏度、噪聲系數(shù)、選擇性、傳輸延時、安全等級等各項性能要求，ZigBee模塊的各項技術(shù)指標如下：
    ◇射頻頻率：2．4GHz；
    ◇通道數(shù)：具有16個射頻通道2．405～2．485；
    ◇通訊視距：可靠傳輸距離在100米以上；
    ◇發(fā)射功率：低功耗型為-25～0 dbm；可調(diào)遠距離型為18．5～26 dbm可調(diào)；
    ◇接收靈敏度：低功耗型為-90 dbm；遠距離型為-99 dbm；
    ◇網(wǎng)絡拓撲：星狀、樹狀、網(wǎng)狀；
    ◇每跳延時：不大于15 ms；
    ◇數(shù)據(jù)安全：采用128-Bit AES加密算法。

3 數(shù)傳模塊的系統(tǒng)架構(gòu)與總體設計
    根據(jù)對數(shù)傳模塊技術(shù)指標的要求，系統(tǒng)的總體設計可分為無線數(shù)傳模塊、測試底板、計算機測試配置軟件等三部分。圖1所示是其系統(tǒng)框圖。該測試系統(tǒng)總共由50個節(jié)點組成，其網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀網(wǎng)絡。50個節(jié)點之間可以互相發(fā)送數(shù)據(jù)，并可測試其數(shù)據(jù)通信功能、穩(wěn)定性及通信距離。其中無線數(shù)傳模塊的設計方案如圖2所示。

4 無線數(shù)傳模塊的硬件設計
    無線數(shù)傳模塊的硬件設計主要分為CPU部分、射頻部分和接插件三個部分。圖3所示是CPU部分的主要電路，它由CC2430及其輔助電路組成；射頻部分主要由功率放大器(PA)和低噪聲放大器(LNA)組成；作為通用產(chǎn)品，接插件的選擇也至關(guān)重要，為了方便模塊的替換，本文選擇可插拔、間距為1．27 mm的插針作為接插件。

    該接插件使得模塊也可以像其他芯片一樣直接焊接在目標PCB上，同時，也可以上自動貼片機。

    圖4所示是系統(tǒng)中的射頻部分電路原理圖。為了使傳輸距離更遠，就必須加大發(fā)射功率和提高接受靈敏度，所以，在射頻部分，本文的設計又增加了PA、LNA以及一些信號開關(guān)和開關(guān)控制信號的產(chǎn)生電路。LNA的增益可達13 dB左右，因而大大提高了傳輸距離和可靠性。

    圖5所示是系統(tǒng)射頻功放電路圖，其中PA的發(fā)射功率可達20 dBm，故可大大提高傳輸距離。

    經(jīng)過實踐驗證，該模塊具有通信距離遠、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。圖6所示是用Agilent公司的頻譜分析儀測試的頻譜圖。

5 無線數(shù)傳模塊的軟件設計
    本文是在TI的ZigBee協(xié)議棧和一些應用示例的基礎(chǔ)上編寫的應用層代碼。其中UART部分用的是芯片的DMA來實現(xiàn)的，這樣可使UART的數(shù)據(jù)收發(fā)更加及時，同時也使得CPU運行更快。其軟件流程圖如圖7所示。圖8所示是其系統(tǒng)初始化流程圖。

6 結(jié)束語
    隨著現(xiàn)代網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展，無線網(wǎng)絡通信標準得到了迅速發(fā)展和應用，本文主要針對ZigBee無線數(shù)傳模塊的實現(xiàn)，提出了自己的硬件解決方案。該無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)選擇TI的SOC芯片CC2430，該芯片的外圍接口不但可以降低設計的復雜程度，而且可以給調(diào)試工作帶來很大的方便。由于該ZigBee無線數(shù)傳模塊可以工作于2．4GHz的全球免費、免申請頻段，因此，十分便于推廣到各個應用領(lǐng)域。