基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡研究和設計

孫中廷

（江蘇聯合職業技術學院徐州機電工程分院，江蘇徐州221011）

基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡研究和設計

孫中廷

（江蘇聯合職業技術學院徐州機電工程分院，江蘇徐州221011）

ZigBee技術以低成本和低能量開銷等優勢被廣泛應用在許多領域。探討了網絡的拓撲結構、設備類型、ZigBee協議和協議體系結構，并介紹了CC2530芯片，使用Z-Stack協議棧，對ZigBee網絡的通信距離和丟包率進行了實驗測試。試驗結果表明，ZigBee網絡采用CC2530具有較長的通信距離和更好的通信質量。

ZigBee CC2530 Z-Stack協議棧無線網絡測試

1　引言

隨著無線通信技術的飛速發展技術，可靠和靈活的通信技術已經越來越有應用前景，特低功耗、低成本的、可靠的數據傳輸和靈活ZigBee網絡，一直是最有前途的技術并在許多領域得到廣泛的應用［1］。TI公司新的CC2530芯片是真正的片上系統解決方案，適用于IEEE 802.15.4，ZigBee，RF4CE和智能能源的應用［2］。因此，設計基于CC2530的大規模ZigBee通信網絡是有實際意義的。

2　ZigBee無線傳輸技術

ZigBee無線通信技術是一種技術是基于IEEE802.15.4標準，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、藍牙、無線遙控和家用無繩電話等網絡共存［3］。

2.1ZigBee網絡的拓撲結構和設備類型

ZigBee網絡支持3種典型的拓撲結構：星型、樹型和網狀［4］。根據項目要求選擇網絡拓撲類型。在ZigBee網絡中有3種設備類型：協調器，路由器和終端設備［4］。協調器是整個網絡的中心，負責網絡建立，管理和維護，它也可以控制監測區。路由器是負責允許其他設備加入網絡、多跳路由和數據包轉發。終端設備可以加入和離開網絡，發送和接收數據，可以選擇休眠。

2.2ZigBee協議的體系結構

ZigBee協議棧有4層［5］，結構如圖1所示。

圖1　ZigBee協議棧結構

在圖1中，物理層負責物理信道數據傳輸與管理，MAC層的主要功能是：對協調器生成和發送網絡信標，提供了可靠的通信鏈路等；網絡層負責建立網絡連接的拓撲結構和維護，以及在路由發現和路由設備轉發；應用層是由應用支持子層（APS），ZigBee設備配置用戶應用層，ZigBee設備配置層提供標準ZigBee配置服務，用戶應用程序根據用戶的需求開發。

3　CC2530片上系統

CC2530是TI推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協議的系統在一個芯片中2.4 GHz頻段，其內部集成高性能射頻收發器、8051內核、8 KB與256 KB的FLASH ROM和RAM［6］。其主要特點如下：2個USART，8位和16位定時器，8個輸入可配置的12位ADC，21個GPIO，AES128協處理器，硬件支持的CSMA/CA，數字化的接收信號強度指標，鏈路質量指示和強大的DMA功能，電池監測和溫度傳感，支持5種操作模式，可以更好的滿足低功耗系統。電流消耗為24 mA與29 mA在接收和傳輸模式。由于其硬件設計相對簡單，小封裝，低功耗，已經被廣泛的應用在無線傳感器網絡［7］。

CC2530可以作為ZigBee協調器、路由器和終端設備。結合TI公司的ZigBee協議棧后，CC2530被認為是在激烈競爭市場中的最佳的ZigBee解決方案。本文的ZigBee網絡的研究是利用TI的Z-Stack協議棧。

4　ZigBee網絡建立

4.1Z-Stack協議棧分析

Z-Stack是TI公司設計的ZigBee協議棧。Z-Stack由main函數開始執行，該函數具有2個功能：一是系統初始化，另外一件是開始執行輪轉查詢式操作系統。操作系統抽象層OSAL實現了一個易用的操作系統平臺，通過時間片輪轉函數實現任務調度，提供多任務處理機制。用戶可以調用OSAL提供的相關API進行多任務編程，將自己的應用程序作為一個獨立的任務來實現。

4.2ZigBee網絡的組網

組網流程圖如圖2所示，ZigBee網絡的協調建立初期，其他節點申請加入網絡［8］。當第一FFD裝置被激活，它執行主動掃描過程選擇一個最佳的通道為當前通道，首先成功的網絡節點是協調器。

該網絡建立后，所有其他的節點作為子節點，發送一個請求到其通信范圍內的網絡。如果發現網絡，節點選擇父節點請求加入網絡和等待父節點的響應后，父節點接收到它，它會判斷是否允許。如果允許加入，父節點應答子節點的請求后，子節點接收到請求的響應，父節點將指定一個網絡地址，又稱為短地址，作為一個獨特的網絡標識符，成功地加入網絡。第一個FFD激活節點作為協調節點將廣播信標幀，同時接受一個新的網絡節點的請求。

圖2　ZigBee網絡流程圖

IAR7.51作為開發環境。基于協議棧z-stack-cc2530-2. 2.0-1.3.0，建立ZigBee網絡和實施一個星形網絡節點。協調器節點可以通過USB與PC機連接，通過PC的串口軟件顯示接收到的數據。其他節點作為路由器設計，這樣可以周期性地發送數據到協調節點。

5　測試和分析

測試工作分為2個部分，傳輸距離測試室外和丟包率測試實驗室環境。

5.1傳輸距離測試

ZigBee節點分布在測試環境更加開放的廣場空間，CC2530下載通信模塊測試程序，傳輸距離測試開始。CC2530輸出功率設置為0.5 dBm。

為了便于觀察節點是否加入網絡傳輸數據，將終端設備定期發送數據包到協調節點。協調節點連接到PC接收數據并顯示。當成功地接收的數據，對LED模塊閃爍一次，表明數據傳輸成功的，這樣得到ZigBee網絡通信測試數據如表1所示。

表1　傳輸距離測試結果

網絡的通信距離遠，一個節點可以連接到網絡。結果表明，ZigBee網絡距離小于通信距離，這是因為信號強度必須大于-85 dbm，協議棧節點需要連接網絡，而所有的安裝天線模塊的實際通信距離為100 m。

5.2網絡丟包率測試

在通信節點的丟包檢測網絡，使用2個節點的實驗。節點1通過USB接口連接到計算機，所接收的數據可以通過對PC節點2串口助手的顯示。節點2周期性地發送數據包到節點1，傳輸周期開始。實驗是在實驗室中進行的，其中有一個復雜電磁環境，具體的測量丟包率如表2所示，表2數據格式：總數據包數發送/丟包率。

表2　丟包率測試結果

從表2可以看出，ZigBee網絡的數據包丟包率是非常低的，即使2個節點都相隔3個房間的墻壁，平均丟包率低于3%，因此采用CC2530具有良好的通信網絡質量。

6　結束語

本文討論了3個ZigBee協議網絡的拓撲結構，三設備類型及其結構。它還介紹了芯片CC2530的基本情況、系統的主要特點及其目前市場上的ZigBee SOC解決方案。基于Z-Stack協議棧，建立了基于CC2530無線網絡。實驗表明，網絡通信性能較好。通過檢驗網絡的通信距離和數據包丟失率表明，采用CC2530的ZigBee網絡具有較長的通信距離和更好的通信質量。

［1］趙樹恩，張沙沙.基于ZigBee技術的交通信號燈辨識系統設計［J］.計算機測量與控制，2014，22（12）：4066-4068.

［2］陳冬方，蒲明松，王天營.離散型生產過程信息監控網絡及節點設計［J］.自動化與儀器儀表，2014（12）：85-87.

［3］周健，羅杰.一種遠程分布式溫室環境監測系統設計［J］.微型機與應用，2014，33（22）：11-13，16.

［4］早明華，徐立鴻，蔚瑞華，等.基于WSN的低功耗溫室環境監測系統設計［J］.機電一體化，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的研究與設計［J］.煤炭技術，2013，32（9）：113-114.

［6］陳振華，陳小燕，劉星毅.基于Zigbee技術的濱海電站溫排水監測系統的設計與實現［J］.計算機測量與控制，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，Fan 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