IEEE 802．15．4的CC2530無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計(jì)

摘要：基于TI公司的CC2530實(shí)現(xiàn)了IEEE 802．15．4(ZigBee)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)協(xié)議；在分析CSMA-CA算法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了片內(nèi)集成的命令選通／CSMA-CA處理器的工作機(jī)制，同時(shí)組建了一個(gè)小型星狀網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)收發(fā)的成功率和正確率均達(dá)到了100％。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；IEEE 802．15．4；CC2530；CSMA-CA

引言
基于IEEE 802．15．4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是綜合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，采用大量的節(jié)點(diǎn)覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域，形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前已在自動(dòng)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合TI公司SoC芯片CC2530，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信功能，為研究上層協(xié)議打下了基礎(chǔ)。

1 CC2530芯片簡(jiǎn)介
CC2530是TI公司針對(duì)2．4 GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBee／IEEE 802．15．4協(xié)議的片上集成芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、256 KB Flash ROM和8 KB RAM。其主要特性：具有2個(gè)USART、8位和16位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、8路輸入可配置的12位ADC、21個(gè)GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、數(shù)字化的RSSI／LQI和強(qiáng)大的DMA功能，具備電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能；支持5種工作模式，且轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可以較好地滿足超低功耗系統(tǒng)的要求；在接收和發(fā)送模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA。由于其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，封裝小，功耗低，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

2 CSMA-CA機(jī)制
IEEE 802．15．4協(xié)議中采用CSMA-CA機(jī)制來(lái)避免數(shù)據(jù)沖突。根據(jù)是否采用信標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)分為非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)兩種。非信標(biāo)模式下，節(jié)點(diǎn)使用CSMA-CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道：節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一段時(shí)間，執(zhí)行CCA(空閑信道評(píng)估)，若信道IDLE則傳送數(shù)據(jù)，若信道BUSY則重新等待一段隨機(jī)時(shí)間后執(zhí)行CCA。
在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，將超幀劃分了16個(gè)時(shí)隙，因此執(zhí)行的退避時(shí)間都是以時(shí)隙為單位，CCA在退避周期的邊界處開(kāi)始執(zhí)行。圖1是IEEE 802． 15．4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CSMA-CA算法流程。

每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每次嘗試傳輸時(shí)都需要維護(hù)3個(gè)變量：后退次數(shù)NB、競(jìng)爭(zhēng)窗口CW和后退指數(shù)BE。變量NB是嘗試當(dāng)前幀發(fā)送過(guò)程中CSMA-CA算法執(zhí)行隨機(jī)退避的次數(shù)，每個(gè)新的傳輸嘗試之前NB應(yīng)初始化為0。在IEEE802．15．4中，定義NB的最大值為4，如果節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)4次信道忙碌退避后仍然無(wú)法接入進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，則放棄數(shù)據(jù)傳送，并向上層報(bào)告。變量CW是競(jìng)爭(zhēng)窗口的長(zhǎng)度，它表示允許發(fā)送前要求信道連續(xù)空閑的時(shí)間，只用于時(shí)隙CSMA-CA算法，可以給處理器處理不同時(shí)隙留有時(shí)間保護(hù)帶，以免數(shù)據(jù)幀沖突。BE值的大小影響節(jié)點(diǎn)接入信道的能力，若設(shè)置得過(guò)小，起不到降低沖突的作用；設(shè)置得過(guò)大，延時(shí)作用不明顯。IEEE 802．15．4推薦的默認(rèn)值為3，最大值為5。當(dāng)BE設(shè)為0時(shí)，則只進(jìn)行一次碰撞檢測(cè)。