基于CC2430的Zigbee無線數(shù)傳模塊設計

1 引 言

　　隨著傳感器技術(shù)、DSP技術(shù)、計算機技術(shù)和芯片技術(shù)的快速發(fā)展， 無線傳感器網(wǎng)絡和短距離無線個人局域網(wǎng)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。世界各大半導體公司都相繼研發(fā)出了基于ZigB ee技術(shù)的SOC芯片， 使得Z igBee技術(shù)能夠在很小的空間以很高的性能得以實現(xiàn)， 并在各方面應用中越來越體現(xiàn)出其優(yōu)勢。

　　TI的CC2430是業(yè)界首款可提供超強特性的ZigBee SoC解決方案。它將領(lǐng)先CC2420 RF收發(fā)器的出色性能與業(yè)界標準增強型MCU 的8kBRAM 與豐富的外設集完美結(jié)合。ZigBee技術(shù)被列為當今世界發(fā)展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術(shù)之一， 其傳輸距離約為70m 左右， 網(wǎng)路架構(gòu)具備M aster /S lave屬性， 并可達到雙向通信共用。因此， 設計開發(fā)出一種高可靠性的無線傳感器模塊成為新的研究熱點。

　　2 Z igBee技術(shù)簡介

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復雜性、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術(shù)， 一種介于無線標記技術(shù)和藍牙技術(shù)之間的技術(shù)方案。主要用于近距離無線連接， 是一組IEEE 批準通過的802.15. 4無線標準開發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。ZigB ee聯(lián)盟還開發(fā)了安全層， 以保證這種便攜設備不會意外泄露其標識， 而且這種利用網(wǎng)絡的遠距離傳輸不會被其他節(jié)點獲得。它依據(jù)IEEE802. 15. 4 標準能在上千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信， 可完成數(shù)據(jù)的采集、量化、處理、融合及傳輸。

　　ZigBee以一個個獨立的工作節(jié)點為依托， 通過無線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡。因此， 每個節(jié)點的功能并非相同， 為降低成本， 系統(tǒng)中大部分的節(jié)點為子節(jié)點。從組網(wǎng)通信上， 它只是其功能的一個子集， 成為精簡功能設備。簡單的控制應用， 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少， 對傳輸資源和通信資源占用不多， 可以采用非常廉價的實現(xiàn)方案， 在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端。另外還有一些節(jié)點， 負責與所控制的子節(jié)點通信， 稱之為全功能設備(也成為協(xié)調(diào)器)。需要功能相對比較強大的MCU， 一般在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡控制和管理功能， 還要完成成員身份管理、鏈路狀態(tài)信息管理以及分組轉(zhuǎn)發(fā)等任務。

　　3 無線網(wǎng)絡的通信協(xié)議

　　完整的Z igBee協(xié)議套件由高層應用規(guī)范、應用會聚層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡層以上協(xié)議由ZigB ee 聯(lián)盟制定， IEEE802. 15. 4負責物理層和鏈路層標準。PHY 層由射頻收發(fā)器以及底層的控制模塊構(gòu)成。MAC 子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigB ee網(wǎng)絡上。

　　物理層提供了媒體訪問控制層與無線物理通道之間的接口， 主要完成激活/休眠無線收發(fā)設備、對當前頻道進行能量檢測、鏈路質(zhì)量指示、為載波檢測多址與避免碰撞( CSMA - CA )進行空閑頻道*估、頻道選擇、數(shù)據(jù)的發(fā)送及接收等。

　　MAC子層運用CSMACA 機制來訪問無線通道。其功能包括發(fā)送信標幀( beacon frames)、同步以及提供一個可靠的傳輸機制。

　　網(wǎng)絡層負責拓撲結(jié)構(gòu)的建立和維護、命名和綁定服務， 它們協(xié)同完成尋址、路由及安全等任務。網(wǎng)絡層主要考慮基于adhoc技術(shù)的網(wǎng)絡協(xié)議。

　　應用層定義了各種類型的應用業(yè)務， 是協(xié)議棧的最高層用戶。應用層主要負責將不同的應用映射到ZigBee網(wǎng)絡上， 具體包括: 安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務數(shù)據(jù)流的會聚、設備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務發(fā)現(xiàn)等。

　　4 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　該模塊根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成， 通過無線通信方式形成一個多跳自組織網(wǎng)絡。其發(fā)射功率可調(diào)、波特率可調(diào)以及數(shù)據(jù)響應格式可改變， 以實現(xiàn)更加可靠、穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)， 同時大大降低誤碼率。由于ZigBee無線通信網(wǎng)絡標準具有支持極低成本、易實現(xiàn)、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等優(yōu)點， 它比較符合所設計模塊的要求， 因此無線數(shù)傳模塊系統(tǒng)選用了基于ZigB ee 的通信方式。

　　測試系統(tǒng)總共由50個節(jié)點組成， 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀網(wǎng)絡。50個節(jié)點之間互相收發(fā)數(shù)據(jù)， 測試其數(shù)據(jù)通信功能、穩(wěn)定性及通信距離。其總的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖1: 數(shù)據(jù)發(fā)送; 2: 數(shù)據(jù)接收

　　由結(jié)構(gòu)框圖知， PC機1發(fā)送的數(shù)據(jù)通過串口連接到無線數(shù)傳模塊， 然后通過天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個無線數(shù)傳模塊， 最后通過串口發(fā)送到PC 機2上。對于PC 機2也是相同的過程， 這樣完成數(shù)據(jù)的收發(fā)， 其中的兩個無線數(shù)傳模塊完全相同。

　　4. 1 硬件設計

　　該無線傳輸模塊主要由以下幾部分組成: CPU部分、射頻部分和接插件、天線以及測試底板。CPU部分由CC2430 及其輔助電路組成。CC2430 芯片是Ch ipcon公司生產(chǎn)的首款符合ZigBee技術(shù)的2.

　　4GH z射頻系統(tǒng)單芯片， 適用于各種ZigBee或類似Z igBee的無線網(wǎng)絡節(jié)點， 包括調(diào)諧器、路由器和終端設備。CC2430芯片延用了以往CC2420 芯片的結(jié)構(gòu)， 在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位微處理器， 具有32/64 /128Kb可編程閃存和8Kb的RAM， 還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、定時器、AES- 128安全協(xié)處理器、看門狗定時器、32KH z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 /O 引腳。CC2430的連接主要考慮復位電路、晶振、天線和必要的阻抗元件設計。

　　射頻部分主要由功率放大器( PA )和低噪聲放大器( LNA )組成。在發(fā)送數(shù)據(jù)的過程中加入功率放大器， 因為功率放大器的發(fā)射功率可達到20多dBm， 將會大大提高傳輸距離。同樣接收時加入低噪聲放大器， 因為低噪聲放大器的增益可達13db左右， 將會提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和準確性。接插件的設計主要是為了方便模塊的替換。天線的設計也是很重要的， 由于2. 4GHz的無線電波屬微波頻段中的低頻段， 沿直線傳播。在短距離無線通信技術(shù)應用中， 對通信距離非常敏感。決定通信距離的因素有兩個: 系統(tǒng)的動態(tài)范圍和電磁波的傳播損耗。

　　應該注意的是使用天線時， 天線與CC2430的射頻收發(fā)器必須相匹配， 否則此無線數(shù)傳系統(tǒng)的傳輸距離很近。測試底板主要是為了測試和調(diào)試， 包括USB轉(zhuǎn)UART 、電源、指示燈， 調(diào)試串口等部分。

　　一方面實現(xiàn)從計算機的U SB 串口接到調(diào)試串口上并通過USB 轉(zhuǎn)UART， 從而與上位機連接， 實現(xiàn)對無線數(shù)傳模塊進行調(diào)試; 另一方面可以對上面的無線數(shù)傳模塊供電。圖2為無線數(shù)傳模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 無線數(shù)傳模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

　　4. 2 軟件設計

　　無線數(shù)傳模塊與上位機的串口通訊程序是用微軟公司的開發(fā)工具M icroso ft V isual Studio 2005來開發(fā)的， 主要采用VB來開發(fā)， 對模塊的配置和數(shù)據(jù)通信進行了設置和讀取。根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議， 設計和開發(fā)了基于VB 的上位機測試配置軟件。建立并試驗了無線傳感器網(wǎng)絡的實驗， 利用軟件對模塊數(shù)據(jù)通信做了實際測試， 并實際測試了其通信距離(可達2Km)和穩(wěn)定性， 實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)通信功能， 同時對測試結(jié)果進行了分析。以下是用Ag ilent和TEK 頻譜分析儀測試的頻譜如圖3- 圖4所示。

　　圖4是在發(fā)射功率為20. 08 dBm 下的測試圖，其中EVM ( 矢量幅度誤差) ( RMS 有效值) 為7. 39% ， EVM ( Peak峰值)為16. 11%。

圖3 安捷倫公司頻譜分析儀上的測試圖。

　　該測試結(jié)果證明: 在保證數(shù)據(jù)可以通信80%以上的時候， 傳輸距離大部分都可以達到2Km 以上，并且各個無線路由器節(jié)點的路由功能也正常。根據(jù)理論計算， 在沒有建筑物和其它東西遮擋的情況下，覆蓋范圍可達幾十平方公里以上。

圖4 泰克公司頻譜分析儀上的測試圖。

　　5 結(jié)束語

　　總而言之， 該無線數(shù)傳模塊選擇了TI的SOC芯片， 該芯片的內(nèi)部設計和外圍接口不但降低了設計的復雜程度， 而且給調(diào)試帶來很大的方便; 又工作于2. 4GHz的全球免費、免申請頻段， 便于推廣到各個應用和各個地方; 加上光纖傳感器的優(yōu)點， 與其結(jié)合， 將來一定可以可靠的應用到各個領(lǐng)域。

　　從軟件方面考慮， 可以靈活控制外設的工作模式， 比較容易控制自身的功耗。串口芯片的使用大大降低了系統(tǒng)中接口設計的復雜性， 實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與主機的快速通信， 也使系統(tǒng)的調(diào)試過程大大減化。