以CC2530為基礎的ZigBee通信網絡的設計淺析

王錚 南京郵電大學

為能切實滿足人們日漸強烈的智能化生活需求、要求，在計算機技術、微電子技術日益發展的大背景下，無線傳感網絡呈現出迅猛發展勢頭，其在多領域的廣泛應用，已顯現出強烈的生命力與影響力。Zigbee實為一種介于藍牙與無線標記技術間，有著豐富技術支撐的技術提案，具有低功耗、低速率、短距離的技術特點。當前，世界各知名企業均積極研發與推出了能夠實現ZigBee物理層功能的芯片，其中，最具代表性的便是EM250（Ember）、JN5139（Jennic）等。CC2530為一款片上系統，能兼容IEEE802.15.4，集成了8051內核，能較簡便、快速的構建無線通信網絡。

1 ZigBee協議棧體系結構分析

ZigBee協議棧為層結構，主要由物理層（PHY）、媒介訪問控制層（MAC）、網絡層（NWK）與應用層（APL）構成，其中，ZigBee聯盟對應用層、網絡層架構進行了定義，而IEEE802.15.4標準則對媒介訪問控制層與物理層進行了定義。各層均能為上層提供諸多能切實滿足其需要的服務，對于數據實體而言，則能為數據傳輸提供服務，管理實體則提供除上述外的其它服務。全部服務實體通過利用服務接入點（SAP），能夠為其上層提供一個實時接入插口，各SAP對一定數量的服務原語均支持，因而能夠獲取所需功能。基于ZigBee協議架構中，用戶僅需組建應用程序框架便可，從開發者角度來考量，多注重的是應用層構架。

針對ZigBee應用層而言，其包含三部分內容，分別為用戶定義的應用對象、ZigBee設備對象（ZDO）與應用支持子層APS。APS多用作設備綁定表的維護以及為綁定設備之間提供消息傳輸，在ZigBee架構中，ZDO實為一個相對特殊的對象，多用作構建安全管理及定義設備類型等。

在ZibBee網絡架構中，設備有兩類劃分，其一為簡化功能設備（RFD），其二為完整功能設備（FFD）。針對FFD而言，可將其當作路由器或協調器，其能夠工作于各種拓撲結構中，另外，還能與其它的RFD、FFD進行實時通信。而對于RFD來講，僅能被當作終端網絡節點，而且通信對象只能是統一網絡中的FFD。RFD與FFD有著相同的硬件結構，但網絡層結構存在不同。

2 硬件設計

在本次網絡設計中，無論是終端器還是路由器、協調器，均采用的是相同的硬件模塊結構。在實際模塊設計過程中，用PL2303HX芯片，把USB虛擬成串口。所以，利用USB接口便能夠比較方便的實現PC與模塊間的實時通信。另外，在具體的模塊設計中，PCB選用雙層板，實際設計中，兩層接地層會沿著銅皮走線方向而形成一個較大的電位差，而且還有這比較快的高頻電流變化速度，若此時的電流無法及時經回路向地面導入，那么局部出現的電位過高情況，會造成信號判斷出現錯誤，所以，在板子上，需在兩層地面層，制作回路導通孔，最大程度減少阻抗，確保地面始終維持等電位。

3 軟件設計

本次設計運用的是IAR7.60開發環境，基于Z-STACK-2.4.0-1.4.0協議棧，完成相關應用層程序的編寫。系統為一個星型網絡，由6個節點組成，一個協調器符合建立網絡，2個終端器與3個路由器組建網絡，由CC2530內置的溫度傳感器完成溫度值的采集，并將采集所得數據實時傳送給協調器。對于協調器而言，其所選用的是自啟動模式，實際就是在預編譯選項中，將HOLD_AUTO_START去除。所以，基于ZDO初始化函數，從中完成網絡初始化，如果完成協調器網絡的構建，會觸發ZDO_STATE_CHANGE事件，然后在串口調試軟件上，會顯示調用函數的網絡建立狀態。系統以輪詢的方式檢測串口，如果串口有數據寫入，那么經回調函數，向任務傳遞串口事件，然后在應用層內，定義My App_Call Back（）調用數據，實時發送函數，此時的數據就是控制命令。其中，對于發送地址模式而言，其有3種模式，即組播、廣播與單播，將3種模式地址進行分配，將其當作數據發送的目標地址。

終端器與路由器同樣可選用自啟動模式。于網絡初始化階段，通過NLME_Network Discovery Request（）函數的調用，來發現網絡，然后網絡接入成功后，觸發任務的ZDO_STATE_CHANGE事件，向協調器發送網絡地址。如果接收到控制命令數據，則此時的調用數據采集函數便會對溫度值進行采集，并實時發送給協調器，如果發送失敗，在延遲1s后，會再次發送。

4 結語

綜上，本文著眼于Zigbee技術的網絡拓撲結構，基于CC2530芯片，構建了一個圍繞ZigBee的通信網絡，分別從軟件與硬件兩方面展開了具體分析，望能為傳感器網絡項目應用的搭建，有著幫助與參考。

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