基于CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)

引言

ZigBee這個名字來源于蜂群的通信方式，蜜蜂之間通過跳Zigzag形狀的舞蹈來交互消息，以便共享食物源的方向、位置和距離等信息。ZigBee是-種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，主要用于近距離無線連接。它有自己的無線電標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將信息從一個傳感器傳到另一個傳感器，因此有著非常高的通信效率。

1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 ZigBee的技術特點

ZigBee的技術特點如下：

(1) 設備工作周期很短并且ZigBee采用了多種節(jié)能模式，其功耗極低,2節(jié)五號電池可以支持長達6個月到2年的使用時間。

(2) ZigBee協(xié)議免專利費，簡單協(xié)議、低數(shù)據(jù)傳輸速率和小的存儲空間大大降低了ZigBee的成本。另外,ZigBee的工作頻段均為免執(zhí)照頻段。

(3) 接入網(wǎng)絡快，時延短,設備搜索時延典型值為30ms,設備接入時延為15ms,休眠啟動時延為15ms,接入網(wǎng)絡和傳送數(shù)據(jù)時延短，適合監(jiān)控應用。

(4) ZigBee加密算法采用AES-128,同時提供了數(shù)據(jù)完整性檢査和鑒權功能，可以靈活確定各個應用的安全屬性。

(5) ZigBee網(wǎng)絡的形成和自動修復無需人工干預，設備節(jié)點可以通過信息交互知道其他設備節(jié)點的存在，確定相互之間的關系。

1.2 ZigBee的無線傳輸優(yōu)勢

1.2.1 Wi-Fi

Wi-Fi(WirelessFidelity)是目前WLAN的主要技術標準，可實現(xiàn)幾Mbps到幾十Mbps的無線局域網(wǎng)接入。Wi-Fi依賴TCP/IP作為網(wǎng)絡層，規(guī)定了協(xié)議的物理層和媒體接入控制層,便攜性良好但卻耗能高，大多Wi-Fi裝置都需要較高的電能儲備和常規(guī)充電，限制了其在工業(yè)場合的推廣和應用。

1.2.2 藍牙

藍牙是以IEEE802.15.1為基礎，工作頻率為2.4GHz,傳輸距離較短，有效范圍一般在10m之內(nèi)，信道帶寬為1MHz,異步非對稱連接最高數(shù)據(jù)速率為723.2Kb/s。系統(tǒng)的抗干擾能力不強，成本和集成復雜性高。

1.2.3 紅外線數(shù)據(jù)通信

IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，IrDA標準的無線設備傳輸速率已發(fā)展到4Mb/s,16Mb/s。目前，其軟硬件技術成熟，已經(jīng)廣泛應用在小型移動設備上(如PDA、手機)。但問題在于IrDA只能在2臺設備之間連接，連接設備必須對準且中間不能有障礙物遮擋，一般不應用于工業(yè)網(wǎng)絡。

通過對以上無線傳輸技術的比較，可以看出：ZigBee技術適合用于幾點數(shù)密集、對能量要求低的網(wǎng)絡；可以在其有效物理范圍100m內(nèi)實現(xiàn)通信，目前一些產(chǎn)品的加強型，可以將有效范圍擴大至1km以上；工作射頻2.4GHz的工業(yè)頻段，免除申請的麻煩；2.4GHz時傳輸速率為250Kb/s,對于工業(yè)中傳輸量低的場合，滿足其應用要求。

1.3 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議棧

隨著通信技術的迅速發(fā)展,人們提出了在自身附近幾米范圍內(nèi)通信的要求，因此就出現(xiàn)了個人區(qū)域網(wǎng)絡和無線個人區(qū)域網(wǎng)絡的概念。IEEE802.15.4是IEEE針對低速率無線個人區(qū)域(LR-WPAN)指定的無線通信標準，該標準把低能量消耗、低速率傳輸、低成本作為重點目標。在IEEE802.15.4中定義了13個物理層服務原語和35個MAC層服務原語。

ZigBee技術具有統(tǒng)一的技術標準，主要由IEEE802.15,4I作組與ZigBee聯(lián)盟分別制定。IEEE802.15.4工作組制定了這項技術的核心，物理層(PHY)和媒體接入控制(MAC)層；ZigBee聯(lián)盟在IEEE802.15.4的基礎上定義了網(wǎng)絡層(NWK)和應用層(APL)和安全服務規(guī)范。

ZigBee可由多達65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，每個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點間的距離可以從標準的75m到幾百米甚至幾千米。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

PHY層主要負責數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送和接收，向下直接操作物理傳輸介質(zhì)(無線射頻)，向上為MAC層提供服務。MAC層負責為一個節(jié)點和它的直接鄰居之間提供可靠的通信鏈路，提供沖突避免以提高通信效率，負責組裝和分解MAC層幀。NWK層決定設備連接和斷開網(wǎng)絡時所采用的機制；執(zhí)行設備間的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護；完成一跳(one-hop)范圍內(nèi)的鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關信息的存儲;創(chuàng)建新網(wǎng)絡；為新入網(wǎng)設備分配網(wǎng)絡地址等。

圖1  ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

2 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計

2.1 硬件部分(主控CC2430片上系統(tǒng)(SoC))

早期的ZigBee硬件都是微控制器(MCU)和IEEE802.15.4射頻芯片分離的。隨著計算機硬件技術的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了系統(tǒng)級芯片(SoC)和系統(tǒng)級封裝(SiP),即把多個硬件模塊集成到一個單芯片中去。目前，ZigBee硬件也發(fā)展到了這個階段，在一個芯片內(nèi)部集成了MCU和射頻芯片。這樣不但降低了ZigBee開發(fā)者對硬件射頻電路的要求，加速了ZigBee系統(tǒng)的開發(fā)，同時也對ZigBee系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、芯片體積等方面帶來了積極影響。

CC2430是TI的第二代ZigBee平臺和真正的SoC解決方案。它兼容IEEE802.15.4標準,在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU(8051),具有128KB可編程閃存和8KBRAM,還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdogtimer).32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(PowerOnResel)、掉電檢測電路(Brownoutdetection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18gmCMOS工藝生產(chǎn)；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA和25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時問的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長的應用，傳感器網(wǎng)絡節(jié)點框架框圖如圖2所示。

2.2 軟件部分(ZigBee組網(wǎng)設計)

ZigBee定義了三種設備：協(xié)調(diào)器、路由器、終端設備。規(guī)定了一個ZigBee網(wǎng)絡中只能有一個協(xié)調(diào)器，若干路由器和終端設備。協(xié)調(diào)器的主要功能是啟動網(wǎng)絡的建立，包括選擇一個信道，確定惟一的PAN地址并廣播建立網(wǎng)絡信息。路由器主要功能是在多跳網(wǎng)絡中作為中繼節(jié)點協(xié)助數(shù)據(jù)向上一級路由器傳遞，給子節(jié)點分配地址，終端設備主要功能是采集數(shù)據(jù)并向上級路由器發(fā)送。協(xié)調(diào)器通過NIME-NETWORK.FORMATION,request原語來啟動一個新網(wǎng)絡。

ZigBee主節(jié)點工作流程如圖3所示。

首先,ZigBee網(wǎng)絡中主節(jié)點MCU發(fā)起信道掃描,經(jīng)通道能量掃描檢測APL選擇可用通道并建立WAN,創(chuàng)建一個從機相關信息的注冊表。注冊表內(nèi)容有從機的ID號、連接狀態(tài)、是否喚醒等信息。主控節(jié)點接入后，先對注冊表進行檢查,若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中有未分配的ID,則主機發(fā)搜索命令，如果有從機回應,則為其分配此ID號，然后由主機切換到工作信道，等待從機發(fā)回應答包，若ID號匹配，則分配成功，主機更新注冊信息列表。主機分別對注冊信息列表中的有效ID發(fā)送數(shù)據(jù)請求，以獲取傳感器(如溫度、濕度、煙霧含量)相關數(shù)據(jù)信息。若某ID在最大允許通信時間內(nèi)沒有發(fā)送應答信息，主機將再次更新該ID的注冊信息列表，如果確認與從機失去聯(lián)系，則將該1D號予以注銷。從機節(jié)點上電后首先監(jiān)聽默認信道，如果收到主機發(fā)送的搜索命令,則回應主機，并附上自己的隨機碼。在收到主機的注冊命令后，先對比隨機碼，進行匹配時則切換到工作信道，并使用注冊命令中分配的ID號發(fā)送應答包，以完成注冊。隨后傳感器采集相關數(shù)據(jù)，等待主機呼叫傳感器的命令，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后進入休眠，一定時間后喚醒再次進行數(shù)據(jù)釆集，如此循環(huán)，中間釆集到的數(shù)據(jù)量可以通過液晶等方式進行直觀的顯示，并可以設定刷新時間頻率，達到一定精確及時的控制。直到主節(jié)點發(fā)出完成命令，整個過程完成。

3結(jié)語

主要介紹由CC2430片上系統(tǒng)為主控的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計，以及主節(jié)點組網(wǎng)軟件設計流程，實驗測試中驗證了ZigBee無線網(wǎng)絡具備的低功耗，易擴展,較穩(wěn)定等優(yōu)點，可靠實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸，有效通信距離達到100m。