基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

引言

ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技 術(shù)。ZigBee技術(shù)以其短距離、低速率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)而被廣 泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、汽車電子及工業(yè)控制等數(shù)據(jù) 量較小、傳輸速率要求不高的場合。相對于其它無線傳感 器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，ZigBee協(xié)議有其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢。由于片 上系統(tǒng)(SoC)的出現(xiàn)，更降低了 ZigBee技術(shù)應(yīng)用開發(fā)的難度, 但以往設(shè)計(jì)的ZigBee節(jié)點(diǎn)的處理器模塊多數(shù)采用TI公司的第 一代產(chǎn)品(如CC2430、CC2420、CC1110等)，因此，通信距 離較短且可靠性不高。

本文在研究TI CC2530芯片及ZigBee 2007協(xié)議棧的基礎(chǔ) 上，給出了基于TI新一代芯片CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 設(shè)計(jì)方法，該方法選用TI CC2591作為射頻前端芯片。本文同時對協(xié)調(diào)器建網(wǎng)及子節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)的過程進(jìn)行了研究。

1協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

1.1節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)

ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備3 種節(jié)點(diǎn)組成。在網(wǎng)絡(luò)建立之初，每個網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)的設(shè)定、信息的管理及維護(hù) 功能，也可用來協(xié)助建立安全層和應(yīng)用層的綁定叫鑒于協(xié)調(diào) 器節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，本文主要介紹協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 的設(shè)計(jì)方法。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、RF前端、電源 管理模塊及各外部接口等組成，也可根據(jù)需要增加傳感器及 GSM/GPRS等模塊。協(xié)調(diào)器的主要硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.2各功能模塊介紹

(1)處理器模塊

處理器模塊采用CC2530作為主控芯片。CC2530是 一個兼容IEEE 802.15.4的、真正的片上系統(tǒng)，支持專有的 IEEE 802.15.4 以 及 ZigBee、ZigBee PRO 和 ZigBeeRF4CE 標(biāo) 準(zhǔn)。CC2530集成了 2.4 GHz的射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 2012年/第5期物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)55\

的 8051 MCU、最大 256 KB 可編程 FLASH、8 KB 的 RAM 并 提供有一套廣泛的外設(shè)集（包括2個USART、12位ADC和21 個通用GPIO）。同時，CC2530可以配備TI的一個標(biāo)準(zhǔn)兼容或 專有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI）來簡化開發(fā), 其RF發(fā)送輸出功率為4.5 dBm,接收靈敏度為-97 dBm。

圖1     協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的京更件結(jié)構(gòu)

（2）RF前端

RF前端采用TI公司的集成度很高的射頻前端芯片 CC259116］。CC2591工作在2.4 GHz,內(nèi)部集成有增益為+22 dBm 的功率放大器（EA）、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、電 感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等。接收部分內(nèi)部集成的LNA接收增益最 大為11 dBm,噪聲系數(shù)為4.8 dB,接收機(jī)靈敏度可提高6 dB, 能顯著增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。

（3）電源管理模塊

本系統(tǒng)可采用外接電源及干電池聯(lián)合供電的方式。當(dāng)外 接電源無效時，也可采用干電池為系統(tǒng)供電，以保證系統(tǒng)各節(jié) 點(diǎn)的正常運(yùn)行。

（4）接口模塊

一般情況下，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接口主要包括串行接口、電源接 口及JTAG接口，也可增加USB接口。當(dāng)管理機(jī)無串口時，采 用USB接口可使該節(jié)點(diǎn)應(yīng)用更為方便靈活。

（5）天線

天線可采用SMA天線［7］與倒F天線［8］相結(jié)合的方式。 其中SMA是Sub-Miniature-A的簡稱，全稱應(yīng)為SMA反極 性公頭，就是天線接頭是內(nèi)部有螺紋的，里面觸點(diǎn)是針（無線 設(shè)備一端是外部有螺紋，里面觸點(diǎn)是管），這種接口的無線設(shè) 備是最普及的；倒F天線的設(shè)計(jì)可采用TI公司公布的參考設(shè) 計(jì)，該天線的最大增益為+3.3 dB,完全能夠滿足CC2530工 作頻段的要求。

2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)及組網(wǎng)研究

組建一個完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng) 絡(luò)層來實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要為新加入的節(jié)點(diǎn)分配地址并 提供路由發(fā)現(xiàn)及路由維護(hù)等。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié) 點(diǎn)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立及參數(shù)配置，圖2所示是其軟 /56物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2012年/第5期

件流程圖。該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境為IAR MCS-51 7.51A,采 用的協(xié)議棧是TI Z-Stack 2.3.1,該協(xié)議棧可支持ZigBee 2007/

圖2     協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

組建網(wǎng)絡(luò)的兩個步驟主要是網(wǎng)絡(luò)初始化及節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)初始化首先要確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過主動掃描發(fā)送信標(biāo)請求 命令來檢測該網(wǎng)絡(luò)中是否存在協(xié)調(diào)器。如果在掃描期限內(nèi)沒有檢 測到信標(biāo)，則將自己作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，并不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣 播出去；然后進(jìn)行信道掃描，對指定的信道或默認(rèn)信道進(jìn)行能 量檢測以避免可能的干擾，并將那些能量值超過了允許水平的信 道丟棄，而后對剩余信道進(jìn)行主動掃描，以檢查區(qū)域內(nèi)有沒有其 它ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在；完成主動掃描后，即可獲得設(shè)備所在區(qū)域 內(nèi)已有的各ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（BANID）,至此，網(wǎng)絡(luò)初 始化基本完成。

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)可通過兩種方式完成：一是由子節(jié)點(diǎn)發(fā)起的 通過關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)；二是由父節(jié)點(diǎn)發(fā)起的通過已有父節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào) 器或路由器）加入網(wǎng)絡(luò)。圖2所示流程圖中的子節(jié)點(diǎn)便是采用 第一種方式入網(wǎng)的。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時，首先會進(jìn) 行信道掃描來捜索周圍是否存在協(xié)調(diào)器。若在掃描期限內(nèi)檢測 到協(xié)調(diào)器，則向其發(fā)送關(guān)聯(lián)請求。協(xié)調(diào)器收到請求后會回復(fù)一 個確認(rèn)幀（ACK）,并向其上層發(fā)送連接指示原語。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到 協(xié)調(diào)器的回復(fù)幀后，節(jié)點(diǎn)的MAC層將等待一段時間，以便接 收協(xié)調(diào)器發(fā)出連接響應(yīng)。如果協(xié)調(diào)器的地址資源足夠，它就會 給節(jié)點(diǎn)分配一個16位的短地址，并產(chǎn)生包含新連接和連接狀態(tài) 的響應(yīng)命令。至此，節(jié)點(diǎn)將可以成功地和協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接，并 可以開始通信。這一系列的過程都是通過協(xié)議棧各層間原語通 信實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)入網(wǎng)的原語時序圖如圖3所示。

發(fā)送ZDO狀態(tài)改變消息ZDO ENDDEVICE

3節(jié)點(diǎn)測試結(jié)果

3.1收發(fā)數(shù)據(jù)測試

在對設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試時，首先利用串口調(diào)試助 手軟件對節(jié)點(diǎn)的可收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。將測試節(jié)點(diǎn)通過串行接 口與上位機(jī)相連，并通過下載線與程序下載器相連。設(shè)置波特率 為9 600 b/s、無奇偶校驗(yàn)位 數(shù)據(jù)位為8位、停止位為1位，采用 COM3通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)可正常收發(fā)數(shù)據(jù)。其串 口調(diào)試結(jié)果如圖4所示。

圖3節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)入網(wǎng)原語時序圖

3.2通信參數(shù)測定

節(jié)點(diǎn)的性能參數(shù)可采用TI公司的SmartRF Studio7軟件

進(jìn)行測試。在測試中，應(yīng)設(shè)定通信信道不變且收發(fā)數(shù)據(jù)包大 小固定，測試節(jié)點(diǎn)均采用外接電源供電。在實(shí)際測量中，發(fā)現(xiàn) 該節(jié)點(diǎn)在室內(nèi)時通信效果良好，丟包率很小且接收靈敏度很 高。而在室外測試時，隨著測試距離的增大，通信效果逐漸 變差，丟包率逐漸增加且接收靈敏度不斷變差。測試結(jié)果如 表1所列。

由上述實(shí)際測試結(jié)果可知，該設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)具有較遠(yuǎn)的通信 距離，并且丟包率較低、接收靈敏度較高，可應(yīng)用于智能家居、 樓宇控制及一般工業(yè)控制等場合。

4結(jié)語

本文介紹了基于TI公司CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 的軟硬件設(shè)計(jì)方法，對其組建網(wǎng)絡(luò)及子節(jié)點(diǎn)通過關(guān)聯(lián)加入網(wǎng) 絡(luò)的過程進(jìn)行了分析，并在硬件設(shè)計(jì)上對各個模塊進(jìn)行了分析, 同時給出了外圍電路的連接圖。在組網(wǎng)研究中，說明了協(xié)調(diào)器 作為網(wǎng)絡(luò)的第一個設(shè)備組建網(wǎng)絡(luò)的工作流程，并分析了子節(jié)點(diǎn) 通過關(guān)聯(lián)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的過程。經(jīng)實(shí)際測試，該協(xié)調(diào)器 節(jié)點(diǎn)可正常工作且通信效果良好。

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