孫中廷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州機(jī)電工程分院，江蘇徐州221011）

基于CC2530的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究和設(shè)計(jì)

孫中廷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院徐州機(jī)電工程分院，江蘇徐州221011）

ZigBee技術(shù)以低成本和低能量開(kāi)銷等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域。探討了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、設(shè)備類型、ZigBee協(xié)議和協(xié)議體系結(jié)構(gòu)，并介紹了CC2530芯片，使用Z-Stack協(xié)議棧，對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信距離和丟包率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用CC2530具有較長(zhǎng)的通信距離和更好的通信質(zhì)量。

ZigBee CC2530 Z-Stack協(xié)議棧無(wú)線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

1　引言

隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展技術(shù)，可靠和靈活的通信技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越有應(yīng)用前景，特低功耗、低成本的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸和靈活ZigBee網(wǎng)絡(luò)，一直是最有前途的技術(shù)并在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［1］。TI公司新的CC2530芯片是真正的片上系統(tǒng)解決方案，適用于IEEE 802.15.4，ZigBee，RF4CE和智能能源的應(yīng)用［2］。因此，設(shè)計(jì)基于CC2530的大規(guī)模ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)是有實(shí)際意義的。

2　ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)

ZigBee無(wú)線通信技術(shù)是一種技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，它工作在2.4 GHz頻段，具有抗干擾性能好，能夠可靠的與Wi-Fi、藍(lán)牙、無(wú)線遙控和家用無(wú)繩電話等網(wǎng)絡(luò)共存［3］。

2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備類型

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3種典型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀［4］。根據(jù)項(xiàng)目要求選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋汀Ｔ赯igBee網(wǎng)絡(luò)中有3種設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備［4］。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)建立，管理和維護(hù)，它也可以控制監(jiān)測(cè)區(qū)。路由器是負(fù)責(zé)允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)、多跳路由和數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。終端設(shè)備可以加入和離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，可以選擇休眠。

2.2ZigBee協(xié)議的體系結(jié)構(gòu)

ZigBee協(xié)議棧有4層［5］，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

在圖1中，物理層負(fù)責(zé)物理信道數(shù)據(jù)傳輸與管理，MAC層的主要功能是：對(duì)協(xié)調(diào)器生成和發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，提供了可靠的通信鏈路等；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)，以及在路由發(fā)現(xiàn)和路由設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)；應(yīng)用層是由應(yīng)用支持子層（APS），ZigBee設(shè)備配置用戶應(yīng)用層，ZigBee設(shè)備配置層提供標(biāo)準(zhǔn)ZigBee配置服務(wù)，用戶應(yīng)用程序根據(jù)用戶的需求開(kāi)發(fā)。

3　CC2530片上系統(tǒng)

CC2530是TI推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的系統(tǒng)在一個(gè)芯片中2.4 GHz頻段，其內(nèi)部集成高性能射頻收發(fā)器、8051內(nèi)核、8 KB與256 KB的FLASH ROM和RAM［6］。其主要特點(diǎn)如下：2個(gè)USART，8位和16位定時(shí)器，8個(gè)輸入可配置的12位ADC，21個(gè)GPIO，AES128協(xié)處理器，硬件支持的CSMA/CA，數(shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)，鏈路質(zhì)量指示和強(qiáng)大的DMA功能，電池監(jiān)測(cè)和溫度傳感，支持5種操作模式，可以更好的滿足低功耗系統(tǒng)。電流消耗為24 mA與29 mA在接收和傳輸模式。由于其硬件設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，小封裝，低功耗，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)［7］。

CC2530可以作為ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。結(jié)合TI公司的ZigBee協(xié)議棧后，CC2530被認(rèn)為是在激烈競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中的最佳的ZigBee解決方案。本文的ZigBee網(wǎng)絡(luò)的研究是利用TI的Z-Stack協(xié)議棧。

4　ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立

4.1Z-Stack協(xié)議棧分析

Z-Stack是TI公司設(shè)計(jì)的ZigBee協(xié)議棧。Z-Stack由main函數(shù)開(kāi)始執(zhí)行，該函數(shù)具有2個(gè)功能：一是系統(tǒng)初始化，另外一件是開(kāi)始執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)抽象層OSAL實(shí)現(xiàn)了一個(gè)易用的操作系統(tǒng)平臺(tái)，通過(guò)時(shí)間片輪轉(zhuǎn)函數(shù)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度，提供多任務(wù)處理機(jī)制。用戶可以調(diào)用OSAL提供的相關(guān)API進(jìn)行多任務(wù)編程，將自己的應(yīng)用程序作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.2ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)

組網(wǎng)流程圖如圖2所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)建立初期，其他節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)［8］。當(dāng)?shù)谝籉FD裝置被激活，它執(zhí)行主動(dòng)掃描過(guò)程選擇一個(gè)最佳的通道為當(dāng)前通道，首先成功的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器。

該網(wǎng)絡(luò)建立后，所有其他的節(jié)點(diǎn)作為子節(jié)點(diǎn)，發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求到其通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)。如果發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)選擇父節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)和等待父節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)后，父節(jié)點(diǎn)接收到它，它會(huì)判斷是否允許。如果允許加入，父節(jié)點(diǎn)應(yīng)答子節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求后，子節(jié)點(diǎn)接收到請(qǐng)求的響應(yīng)，父節(jié)點(diǎn)將指定一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，又稱為短地址，作為一個(gè)獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，成功地加入網(wǎng)絡(luò)。第一個(gè)FFD激活節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將廣播信標(biāo)幀，同時(shí)接受一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求。

圖2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)流程圖

IAR7.51作為開(kāi)發(fā)環(huán)境?；趨f(xié)議棧z-stack-cc2530-2. 2.0-1.3.0，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)和實(shí)施一個(gè)星形網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)USB與PC機(jī)連接，通過(guò)PC的串口軟件顯示接收到的數(shù)據(jù)。其他節(jié)點(diǎn)作為路由器設(shè)計(jì)，這樣可以周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。

5　測(cè)試和分析

測(cè)試工作分為2個(gè)部分，傳輸距離測(cè)試室外和丟包率測(cè)試實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

5.1傳輸距離測(cè)試

ZigBee節(jié)點(diǎn)分布在測(cè)試環(huán)境更加開(kāi)放的廣場(chǎng)空間，CC2530下載通信模塊測(cè)試程序，傳輸距離測(cè)試開(kāi)始。CC2530輸出功率設(shè)置為0.5 dBm。

為了便于觀察節(jié)點(diǎn)是否加入網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，將終端設(shè)備定期發(fā)送數(shù)據(jù)包到協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)連接到PC接收數(shù)據(jù)并顯示。當(dāng)成功地接收的數(shù)據(jù)，對(duì)LED模塊閃爍一次，表明數(shù)據(jù)傳輸成功的，這樣得到ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　傳輸距離測(cè)試結(jié)果

網(wǎng)絡(luò)的通信距離遠(yuǎn)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以連接到網(wǎng)絡(luò)。結(jié)果表明，ZigBee網(wǎng)絡(luò)距離小于通信距離，這是因?yàn)樾盘?hào)強(qiáng)度必須大于-85 dbm，協(xié)議棧節(jié)點(diǎn)需要連接網(wǎng)絡(luò)，而所有的安裝天線模塊的實(shí)際通信距離為100 m。

5.2網(wǎng)絡(luò)丟包率測(cè)試

在通信節(jié)點(diǎn)的丟包檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，使用2個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)1通過(guò)USB接口連接到計(jì)算機(jī)，所接收的數(shù)據(jù)可以通過(guò)對(duì)PC節(jié)點(diǎn)2串口助手的顯示。節(jié)點(diǎn)2周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)包到節(jié)點(diǎn)1，傳輸周期開(kāi)始。實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，其中有一個(gè)復(fù)雜電磁環(huán)境，具體的測(cè)量丟包率如表2所示，表2數(shù)據(jù)格式：總數(shù)據(jù)包數(shù)發(fā)送/丟包率。

表2　丟包率測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包丟包率是非常低的，即使2個(gè)節(jié)點(diǎn)都相隔3個(gè)房間的墻壁，平均丟包率低于3%，因此采用CC2530具有良好的通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

6　結(jié)束語(yǔ)

本文討論了3個(gè)ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，三設(shè)備類型及其結(jié)構(gòu)。它還介紹了芯片CC2530的基本情況、系統(tǒng)的主要特點(diǎn)及其目前市場(chǎng)上的ZigBee SOC解決方案?；赯-Stack協(xié)議棧，建立了基于CC2530無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)表明，網(wǎng)絡(luò)通信性能較好。通過(guò)檢驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)的通信距離和數(shù)據(jù)包丟失率表明，采用CC2530的ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有較長(zhǎng)的通信距離和更好的通信質(zhì)量。

［1］趙樹(shù)恩，張沙沙.基于ZigBee技術(shù)的交通信號(hào)燈辨識(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2014，22（12）：4066-4068.

［2］陳冬方，蒲明松，王天營(yíng).離散型生產(chǎn)過(guò)程信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014（12）：85-87.

［3］周健，羅杰.一種遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2014，33（22）：11-13，16.

［4］早明華，徐立鴻，蔚瑞華，等.基于WSN的低功耗溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電一體化，2013，19（10）：49-53.

［5］茍全登，閆連山.基于ZigBee的低功耗井下人員快速定位系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)［J］.煤炭技術(shù)，2013，32（9）：113-114.

［6］陳振華，陳小燕，劉星毅.基于Zigbee技術(shù)的濱海電站溫排水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（9）：2400-2402.

［7］Wang Hua-bin，Luo Zhong-liang.Design of Data Acquisition and Monitoring System Based on ZigBee［J］.Computer& Modernization，2011，1（8）：114-116.

［8］Shi Z，F(xiàn)an X，Jing Z.Intelligent Environmental Monitoring System Design Based on CC2530［C］.International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，IEEE，2013：652-654.

The Study and Design of ZigBee WSNs Based on CC2530

SUN Zhong-ting
（Xuzhou Electromechanical Engineering Department of Jiangsu United Vocational College，Xuzhou Jiangsu 221011，China）

ZigBee is widely used in many fields，which has advantages of low cost and low energy consumption.The topology of the network，type of equipment，ZigBee protocol and architecture are discussed in this paper，and CC2530 chip is also introduced；communication distance and packet loss rate of ZigBee network are tested by using Z-Stack protocol.The test result shows that ZigBee network based on CC2530 has long communication distance and better communication quality.

ZigBee；CC2530；Z-Stack protocol；wireless network test

TP212

A

1008-1739（2015）19-65-3

定稿日期：2015-09-12