基于CC2430的Zigbee無(wú)線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)

1 引 言

　　隨著傳感器技術(shù)、DSP技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和芯片技術(shù)的快速發(fā)展， 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和短距離無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。世界各大半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)， 并在各方面應(yīng)用中越來(lái)越體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)。

　　TI的CC2430是業(yè)界首款可提供超強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型MCU 的8kBRAM 與豐富的外設(shè)集完美結(jié)合。ZigBee技術(shù)被列為當(dāng)今世界發(fā)展最快、市場(chǎng)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(dá)到雙向通信共用。因此， 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種高可靠性的無(wú)線傳感器模塊成為新的研究熱點(diǎn)。

　　2 Z igBee技術(shù)簡(jiǎn)介

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜性、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)， 一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案。主要用于近距離無(wú)線連接， 是一組IEEE 批準(zhǔn)通過(guò)的802.15. 4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigB ee聯(lián)盟還開(kāi)發(fā)了安全層， 以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄露其標(biāo)識(shí)， 而且這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。它依據(jù)IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)能在上千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)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(gè)個(gè)獨(dú)立的工作節(jié)點(diǎn)為依托， 通過(guò)無(wú)線通信組成星狀、片狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。因此， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能并非相同， 為降低成本， 系統(tǒng)中大部分的節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)。從組網(wǎng)通信上， 它只是其功能的一個(gè)子集， 成為精簡(jiǎn)功能設(shè)備。簡(jiǎn)單的控制應(yīng)用， 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少， 對(duì)傳輸資源和通信資源占用不多， 可以采用非常廉價(jià)的實(shí)現(xiàn)方案， 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中一般作為通信終端。另外還有一些節(jié)點(diǎn)， 負(fù)責(zé)與所控制的子節(jié)點(diǎn)通信， 稱之為全功能設(shè)備(也成為協(xié)調(diào)器)。需要功能相對(duì)比較強(qiáng)大的MCU， 一般在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中用作于網(wǎng)絡(luò)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(wù)。

　　3 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議

　　完整的Z igBee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigB ee 聯(lián)盟制定， IEEE802. 15. 4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。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(wèn)物理信道提供點(diǎn)到點(diǎn)通信的服務(wù)接口。應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigB ee網(wǎng)絡(luò)上。

　　物理層提供了媒體訪問(wèn)控制層與無(wú)線物理通道之間的接口， 主要完成激活/休眠無(wú)線收發(fā)設(shè)備、對(duì)當(dāng)前頻道進(jìn)行能量檢測(cè)、鏈路質(zhì)量指示、為載波檢測(cè)多址與避免碰撞( CSMA - CA )進(jìn)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(yùn)用CSMACA 機(jī)制來(lái)訪問(wèn)無(wú)線通道。其功能包括發(fā)送信標(biāo)幀( beacon frames)、同步以及提供一個(gè)可靠的傳輸機(jī)制。

　　網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)、命名和綁定服務(wù)， 它們協(xié)同完成尋址、路由及安全等任務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層主要考慮基于adhoc技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。

　　應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù)， 是協(xié)議棧的最高層用戶。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)將不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上， 具體包括: 安全與鑒權(quán)、多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等。

　　4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　該模塊根據(jù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成， 通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。其發(fā)射功率可調(diào)、波特率可調(diào)以及數(shù)據(jù)響應(yīng)格式可改變， 以實(shí)現(xiàn)更加可靠、穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)， 同時(shí)大大降低誤碼率。由于ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)具有支持極低成本、易實(shí)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(diǎn)， 它比較符合所設(shè)計(jì)模塊的要求， 因此無(wú)線數(shù)傳模塊系統(tǒng)選用了基于ZigB ee 的通信方式。

　　測(cè)試系統(tǒng)總共由50個(gè)節(jié)點(diǎn)組成， 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。50個(gè)節(jié)點(diǎn)之間互相收發(fā)數(shù)據(jù)， 測(cè)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(jī)1發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口連接到無(wú)線數(shù)傳模塊， 然后通過(guò)天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊， 最后通過(guò)串口發(fā)送到PC 機(jī)2上。對(duì)于PC 機(jī)2也是相同的過(guò)程， 這樣完成數(shù)據(jù)的收發(fā)， 其中的兩個(gè)無(wú)線數(shù)傳模塊完全相同。

　　4. 1 硬件設(shè)計(jì)

　　該無(wú)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(cè)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)， 包括調(diào)諧器、路由器和終端設(shè)備。CC2430芯片延用了以往CC2420 芯片的結(jié)構(gòu)， 在單個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)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(shí)器、AES- 128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、32KH z晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I /O 引腳。CC2430的連接主要考慮復(fù)位電路、晶振、天線和必要的阻抗元件設(shè)計(jì)。

　　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(guò)程中加入功率放大器， 因?yàn)楣β史糯笃鞯陌l(fā)射功率可達(dá)到20多dBm， 將會(huì)大大提高傳輸距離。同樣接收時(shí)加入低噪聲放大器， 因?yàn)榈驮肼暦糯笃鞯脑鲆婵蛇_(dá)13db左右， 將會(huì)提高傳輸數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。接插件的設(shè)計(jì)主要是為了方便模塊的替換。天線的設(shè)計(jì)也是很重要的， 由于2. 4GHz的無(wú)線電波屬微波頻段中的低頻段， 沿直線傳播。在短距離無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用中， 對(duì)通信距離非常敏感。決定通信距離的因素有兩個(gè): 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和電磁波的傳播損耗。

　　應(yīng)該注意的是使用天線時(shí)， 天線與CC2430的射頻收發(fā)器必須相匹配， 否則此無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)的傳輸距離很近。測(cè)試底板主要是為了測(cè)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(shí)現(xiàn)從計(jì)算機(jī)的U SB 串口接到調(diào)試串口上并通過(guò)USB 轉(zhuǎn)UART， 從而與上位機(jī)連接， 實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線數(shù)傳模塊進(jìn)行調(diào)試; 另一方面可以對(duì)上面的無(wú)線數(shù)傳模塊供電。圖2為無(wú)線數(shù)傳模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 無(wú)線數(shù)傳模塊的結(jié)構(gòu)框圖。

　　4. 2 軟件設(shè)計(jì)

　　無(wú)線數(shù)傳模塊與上位機(jī)的串口通訊程序是用微軟公司的開(kāi)發(fā)工具M(jìn) icroso ft V isual Studio 2005來(lái)開(kāi)發(fā)的， 主要采用VB來(lái)開(kāi)發(fā)， 對(duì)模塊的配置和數(shù)據(jù)通信進(jìn)行了設(shè)置和讀取。根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議， 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了基于VB 的上位機(jī)測(cè)試配置軟件。建立并試驗(yàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)， 利用軟件對(duì)模塊數(shù)據(jù)通信做了實(shí)際測(cè)試， 并實(shí)際測(cè)試了其通信距離(可達(dá)2Km)和穩(wěn)定性， 實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信功能， 同時(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。以下是用Ag ilent和TEK 頻譜分析儀測(cè)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(cè)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(cè)試圖。

　　該測(cè)試結(jié)果證明: 在保證數(shù)據(jù)可以通信80%以上的時(shí)候， 傳輸距離大部分都可以達(dá)到2Km 以上，并且各個(gè)無(wú)線路由器節(jié)點(diǎn)的路由功能也正常。根據(jù)理論計(jì)算， 在沒(méi)有建筑物和其它東西遮擋的情況下，覆蓋范圍可達(dá)幾十平方公里以上。

圖4 泰克公司頻譜分析儀上的測(cè)試圖。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　總而言之， 該無(wú)線數(shù)傳模塊選擇了TI的SOC芯片， 該芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)和外圍接口不但降低了設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度， 而且給調(diào)試帶來(lái)很大的方便; 又工作于2. 4GHz的全球免費(fèi)、免申請(qǐng)頻段， 便于推廣到各個(gè)應(yīng)用和各個(gè)地方; 加上光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)， 與其結(jié)合， 將來(lái)一定可以可靠的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。

　　從軟件方面考慮， 可以靈活控制外設(shè)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(shè)計(jì)的復(fù)雜性， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與主機(jī)的快速通信， 也使系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程大大減化。