基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) - 全文

隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)正進(jìn)入發(fā)展的快車道，ZigBee也正逐步被國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的用戶接受。ZigBee技術(shù)也已在部分智能傳感器場(chǎng)景中進(jìn)行了應(yīng)用。如在北京地鐵9號(hào)線隧道施工過(guò)程中的考勤定位系統(tǒng)便采用的是ZigBee，ZigBee取代傳統(tǒng)的RFID考勤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)漏讀、方向判斷準(zhǔn)確、定位軌跡準(zhǔn)確和可查詢，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高檔的老年公寓中，基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線定位技術(shù)可在療養(yǎng)院或老年社區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)全區(qū)實(shí)時(shí)定位及求助功能。由于每個(gè)老人都隨身攜一個(gè)移動(dòng)報(bào)警器，遇到險(xiǎn)情時(shí)，可以及時(shí)的按下求助按鈕不但使老人在戶外活動(dòng)時(shí)的安全監(jiān)控及救援問(wèn)題得到解決，而且，使用簡(jiǎn)單方便，可靠性高。本文介紹基于CC2530的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

節(jié)點(diǎn)硬件總體設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)主要由協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備3種節(jié)點(diǎn)組成。在網(wǎng)絡(luò)建立之初，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有且僅有一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、參數(shù)的設(shè)定、信息的管理及維護(hù)功能，也可用來(lái)協(xié)助建立安全層和應(yīng)用層的綁定。鑒于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件及軟件設(shè)計(jì)最為復(fù)雜，本文主要介紹協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要由處理器模塊、RF前端、電源管理模塊及各外部接口等組成，也可根據(jù)需要增加傳感器及GSM/GPRS等模塊。協(xié)調(diào)器的主要硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

各功能模塊介紹

（1）處理器模塊

處理器模塊采用CC2530作為主控芯片［5］。CC2530是一個(gè)兼容IEEE802.15.4的、真正的片上系統(tǒng)，支持專有的IEEE802.15.4以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE標(biāo)準(zhǔn)。CC2530集成了2.4GHz的射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU、最大256KB可編程FLASH、8KB的RAM并提供有一套廣泛的外設(shè)集（包括2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO）。同時(shí)，CC2530可以配備TI的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容或?qū)Ｓ械木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI）來(lái)簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)，其RF發(fā)送輸出功率為4.5dBm，接收靈敏度為-97dBm。

（2）RF前端

RF前端采用TI公司的集成度很高的射頻前端芯片CC2591。CC2591工作在2.4GHz，內(nèi)部集成有增益為+22dBm的功率放大器（PA）、低噪聲放大器、平衡轉(zhuǎn)換器、交換機(jī)、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等。接收部分內(nèi)部集成的LNA接收增益最大為11dBm，噪聲系數(shù)為4.8dB，接收機(jī)靈敏度可提高6dB，能顯著增加無(wú)線系統(tǒng)的覆蓋范圍。

（3）電源管理模塊

本系統(tǒng)可采用外接電源及干電池聯(lián)合供電的方式。當(dāng)外接電源無(wú)效時(shí)，也可采用干電池為系統(tǒng)供電，以保證系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行。

（4）接口模塊

一般情況下，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接口主要包括串行接口、電源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。當(dāng)管理機(jī)無(wú)串口時(shí)，采用USB接口可使該節(jié)點(diǎn)應(yīng)用更為方便靈活。

（5）天線

天線可采用SMA天線與倒F天線相結(jié)合的方式。其中SMA是Sub-Miniature-A的簡(jiǎn)稱，全稱應(yīng)為SMA反極性公頭，就是天線接頭是內(nèi)部有螺紋的，里面觸點(diǎn)是針（無(wú)線設(shè)備一端是外部有螺紋，里面觸點(diǎn)是管），這種接口的無(wú)線設(shè)備是最普及的；倒F天線的設(shè)計(jì)可采用TI公司公布的參考設(shè)計(jì)，該天線的最大增益為+3.3dB，完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求。

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)及組網(wǎng)研究

組建一個(gè)完整的ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee協(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層來(lái)實(shí)現(xiàn)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要為新加入的節(jié)點(diǎn)分配地址并提供路由發(fā)現(xiàn)及路由維護(hù)等。協(xié)調(diào)器作為網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立及參數(shù)配置，圖2所示是其軟件流程圖。該節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)環(huán)境為IARMCS-517.51A，采用的協(xié)議棧是TIZ-Stack2.3.1，該協(xié)議?？芍С諾igBee2007/ZigBee-PRO。

組建網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)步驟主要是網(wǎng)絡(luò)初始化及節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)初始化首先要確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過(guò)主動(dòng)掃描發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求命令來(lái)檢測(cè)該網(wǎng)絡(luò)中是否存在協(xié)調(diào)器。如果在掃描期限內(nèi)沒(méi)有檢測(cè)到信標(biāo)，則將自己作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，并不斷地產(chǎn)生信標(biāo)并廣播出去；然后進(jìn)行信道掃描，對(duì)指定的信道或默認(rèn)信道進(jìn)行能量檢測(cè)以避免可能的干擾，并將那些能量值超過(guò)了允許水平的信道丟棄，而后對(duì)剩余信道進(jìn)行主動(dòng)掃描，以檢查區(qū)域內(nèi)有沒(méi)有其它ZigBee網(wǎng)絡(luò)存在；完成主動(dòng)掃描后，即可獲得設(shè)備所在區(qū)域內(nèi)已有的各ZigBee網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（PANID），至此，網(wǎng)絡(luò)初始化基本完成。

節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)兩種方式完成：一是由子節(jié)點(diǎn)發(fā)起的通過(guò)關(guān)聯(lián)加入網(wǎng)絡(luò)；二是由父節(jié)點(diǎn)發(fā)起的通過(guò)已有父節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器或路由器）加入網(wǎng)絡(luò)。圖2所示流程圖中的子節(jié)點(diǎn)便是采用第一種方式入網(wǎng)的。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先會(huì)進(jìn)行信道掃描來(lái)搜索周圍是否存在協(xié)調(diào)器。若在掃描期限內(nèi)檢測(cè)到協(xié)調(diào)器，則向其發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求。協(xié)調(diào)器收到請(qǐng)求后會(huì)回復(fù)一個(gè)確認(rèn)幀（ACK），并向其上層發(fā)送連接指示原語(yǔ)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到協(xié)調(diào)器的回復(fù)幀后，節(jié)點(diǎn)的MAC層將等待一段時(shí)間，以便接收協(xié)調(diào)器發(fā)出連接響應(yīng)。如果協(xié)調(diào)器的地址資源足夠，它就會(huì)給節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)16位的短地址，并產(chǎn)生包含新連接和連接狀態(tài)的響應(yīng)命令。至此，節(jié)點(diǎn)將可以成功地和協(xié)調(diào)器進(jìn)行連接，并可以開(kāi)始通信。這一系列的過(guò)程都是通過(guò)協(xié)議棧各層間原語(yǔ)通信實(shí)現(xiàn)的。節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器關(guān)聯(lián)入網(wǎng)的原語(yǔ)時(shí)序圖如圖3所示。