基于CC2530的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)

1、基于CC2530的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的研究與設(shè)計(jì)摘要：由于ZigBee技術(shù)低成本，低功耗，使其在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文討論了ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備類型和協(xié)議架構(gòu)，介紹了CC2530芯片。然后我們在Z-Stack網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，做了一些測試的內(nèi)容，如網(wǎng)絡(luò)通信距離和丟包率的測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用CC2530具有通信距離遠(yuǎn)、通信質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：ZigBee; CC2530; 無線網(wǎng)絡(luò)測試1導(dǎo)論隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，電力，通信的技術(shù)的可靠性和靈活性受到行業(yè)及研究員越來越多的重視。低功耗、低成本、數(shù)據(jù)傳輸可靠和靈活的網(wǎng)絡(luò)布局的特點(diǎn)，ZigBee已經(jīng)成

2、為最有發(fā)展前景的技術(shù)，在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。TI的CC2530是一個(gè)真正的系統(tǒng)-專為IEEE 802.15.4、ZigBee、RF4CE和智能能源應(yīng)用的芯片解決方案。因此，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于CC2530 的大規(guī)模ZigBee網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。2.ZigBee無線通信技術(shù)ZigBee無線通信技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)。其良好的抗干擾性能可以幫助它在2.4GHz頻段與Wi-Fi、藍(lán)牙，無線USB，家用無線電話和微波爐可靠并存。2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備類型有三種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持：星形，樹形和網(wǎng)狀形。我們可以選擇的類型根據(jù)項(xiàng)目的要求。ZigBee

3、網(wǎng)絡(luò)中有三種類型的設(shè)備：協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、管理和維護(hù)安裝。它也可以控制監(jiān)控區(qū)域。路由器負(fù)責(zé)允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由，包轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備可以加入和離開網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，它可以選擇不工作。2.2結(jié)構(gòu)的ZigBee協(xié)議ZigBee協(xié)議棧由四層組成的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。IEEE802.15.4協(xié)議定義了物理層和MAC層，ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。物理層網(wǎng)絡(luò)層MAC層應(yīng)用層圖一：ZigBee協(xié)議棧的構(gòu)成如圖1所示，物理層負(fù)責(zé)物理信道的數(shù)據(jù)傳輸和管理。包括在MAC層的主要功能如下：為協(xié)調(diào)器生成和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，提供可靠的通信鏈路之間的實(shí)體，

4、維護(hù)設(shè)備的安全等功能。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以及為了設(shè)備進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)和路由轉(zhuǎn)發(fā)。應(yīng)用層是由應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備配置和用戶層組成。APS主要提供ZigBee端點(diǎn)接口。Zigbee設(shè)備配置在層提供標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee配置服務(wù)?；谟脩舻男枨笕ラ_發(fā)用戶應(yīng)用程序。3、CC2530芯片系統(tǒng)CC2530是由TI推出在2.4GHz頻段的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議體系的芯片。其內(nèi)部集成的高性能射頻收發(fā)器，以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051單片機(jī)為核心，內(nèi)置有256KB的閃存ROM和8KB的RAM。主要特點(diǎn)如下：擁有兩個(gè)USART，8位和16

5、位定時(shí)器，看門狗定時(shí)器，8個(gè)輸入可配置的12位ADC、21個(gè)GPIO，AES128協(xié)處理器，硬件支持CSMA/CA，數(shù)字化的接收信號強(qiáng)度指示、鏈路質(zhì)量指示功能和強(qiáng)大的DMA功能，電池監(jiān)測功能和溫度傳感功能。它支持五種工作模式，能更好地滿足低功耗系統(tǒng)的需求。在接收和傳輸模式它的電流大小分別是24mA和29mA。由于其硬件設(shè)計(jì)相對簡單，小封裝，低功耗，它已被廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。CC2530可以作為ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。隨著Ti和Chipcon公司的ZigBee協(xié)議棧的結(jié)合后，CC2530是最具市場競爭力的ZigBee解決方案。本文研究了ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用了TI公司的Z-S

6、tack協(xié)議棧。4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成4.1 Z-Stack協(xié)議棧的分析Z-Stack是由TI公司支持的ZigBee協(xié)議棧。它從主函數(shù)開始執(zhí)行。主要功能實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的初始化，然后開始運(yùn)行旋轉(zhuǎn)查詢操作系統(tǒng) OSAL。OSAL中定義了兩個(gè)關(guān)鍵數(shù)組，*tasksEvents 和* tasksarr。前者存儲值，編號從0到taskcnt，在這個(gè)周期中作為一個(gè)當(dāng)前任務(wù)的需要。運(yùn)行所需的任務(wù)的值是非零的，而其他則為0。任務(wù)數(shù)越小，優(yōu)先級越高。Tasksarr存儲入口地址和每個(gè)任務(wù)對應(yīng)。只有記錄在tasksevents中，任務(wù)才可稱為在這個(gè)周期。 OSAL 工作方式是：查詢和處理工作任務(wù)不斷地運(yùn)行。4.2

7、 ZigBee組網(wǎng)過程ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器初步建立，其他節(jié)點(diǎn)通過申請加入網(wǎng)絡(luò)，以及網(wǎng)絡(luò)的過程如圖2所示。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)FFD設(shè)備被激活時(shí)，它首先在物理層中掃描有效的默認(rèn)信道能量，其目的是檢測可能的干擾和序列的信道的信道能量值。然后執(zhí)行迅速的掃描過程去選擇一個(gè)最佳信道作為當(dāng)前信道的。協(xié)調(diào)器是第一個(gè)成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。圖2: ZigBee網(wǎng)絡(luò)流程圖在建立網(wǎng)絡(luò)后，所有其他節(jié)點(diǎn)都被視為子節(jié)點(diǎn)，在其范圍內(nèi)發(fā)送請求找到通信網(wǎng)絡(luò)。如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)選擇父節(jié)點(diǎn)到請求加入網(wǎng)絡(luò)，等待父節(jié)點(diǎn)響應(yīng)。父節(jié)點(diǎn)接收到它后，它會作出判斷是否允許它加入網(wǎng)絡(luò)。如果允許加入，父節(jié)點(diǎn)將回應(yīng)通知子節(jié)點(diǎn)的請求。在子節(jié)點(diǎn)接收到請求響應(yīng)后，父節(jié)點(diǎn)

8、將為其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)地址，也被稱為短地址，是網(wǎng)絡(luò)內(nèi)一個(gè)唯一標(biāo)識?，F(xiàn)在這個(gè)節(jié)點(diǎn)成功加入了網(wǎng)絡(luò)。第一個(gè)FFD節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器將靈活廣播信標(biāo)幀，同時(shí)接收一個(gè)新節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)請求。IAR7.51作為開發(fā)環(huán)境?；趨f(xié)議棧z-stack-cc2530-2.2.0-1.3.0，我們建立了一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)并且也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可通過USB連接到電腦并通過PC機(jī)的串口軟件顯示接收到的數(shù)據(jù)。其他節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為路由器，它可以定期向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。5測試與分析測試工作分為兩個(gè)部分，包括在室外進(jìn)行的傳輸距離測試和在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的數(shù)據(jù)包丟失率測試。5.1傳輸距離試驗(yàn)除選擇測試環(huán)境更加開放的

9、空間外，ZigBee節(jié)點(diǎn)分布在廣場的四周。CC2530模塊成功下載通訊測試程序后，傳輸距離測試開始。CC2530輸出功率設(shè)置為4.5dBm。為了便于觀察節(jié)點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，我們讓終端設(shè)備定期發(fā)送數(shù)據(jù)包到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器連接到一個(gè)平板電腦，在那里顯示接收到的數(shù)據(jù)。而數(shù)據(jù)接收成功的話，接收模塊上的LED就會閃爍一次，表示成功的完成了數(shù)據(jù)傳輸。通過這種方式我們可以得到在ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信中點(diǎn)的點(diǎn)的傳輸距離。表中顯示的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)通信測試數(shù)據(jù)之間的距離。表1：傳輸距離的測試結(jié)果antennas012Network4m8m>100mCommunication15m30m>100m網(wǎng)絡(luò)距離反

10、映一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以在多遠(yuǎn)的距離內(nèi)加入網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的距離小于通信距離。這是因?yàn)橐粋€(gè) Z-Stack節(jié)點(diǎn)需要加入網(wǎng)絡(luò)的話信號強(qiáng)度必須要大于比-85dbm。一旦成功加入網(wǎng)絡(luò)，這樣的判斷是沒有進(jìn)行任何更多的進(jìn)一步的數(shù)據(jù)通信。然而如果模塊安裝全部的天線，實(shí)際通信距離可以超過100米。5.2網(wǎng)絡(luò)丟包率測試為了測試在網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包丟失，我們使用兩個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)1是通過USB接口連接到計(jì)算機(jī)，接收到的數(shù)據(jù)能通過在計(jì)算機(jī)上的串口助手顯示。節(jié)點(diǎn)2使用電池供電的底盤。節(jié)點(diǎn)2周期性地將數(shù)據(jù)包發(fā)送到節(jié)點(diǎn)1。將傳輸周期設(shè)置為500ms。這個(gè)實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，其具有復(fù)雜的電磁環(huán)境。具體

11、測量數(shù)據(jù)包丟失率如表2所示。表2數(shù)據(jù)格式是：數(shù)據(jù)包的總發(fā)送數(shù)/丟包率。表2：數(shù)據(jù)包丟失率的測試結(jié)果timeindoor 3moutdoorInterval3 walls11110/0.5%1015/0.2% 1038/0.1%21043/0.1% 1021/01013/0.5%31140/0.7%1092/01075/7.0%41013/0.6%1094/0.1%1070/2.7%51004/0.1% 1009/01089/5.5%61077/0.5%1048/0.2% 1021/1.9%71016/01127/01003/0.2%81045/0.9%1029/0 1028/2.6%91032/0.2%1203/0.2%1011/1.0%101098/0.3%1128/0 1002/0.2%avg0.38% 0.07% 2.2%從表2可以看出，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的丟包率非常低，即使兩節(jié)點(diǎn)在房間中的三個(gè)墻壁隔開，平均丟包率低于仍然3%。所以ZigBee網(wǎng)絡(luò)的使用 CC2530具有良好的通信質(zhì)量。6結(jié)論本文討論了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞腪igBee協(xié)議，三設(shè)備類型及其結(jié)構(gòu)。它