以CC2530為基礎(chǔ)的ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)淺析

王錚 南京郵電大學(xué)

為能切實(shí)滿足人們?nèi)諠u強(qiáng)烈的智能化生活需求、要求，在計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)日益發(fā)展的大背景下，無線傳感網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出迅猛發(fā)展勢(shì)頭，其在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已顯現(xiàn)出強(qiáng)烈的生命力與影響力。Zigbee實(shí)為一種介于藍(lán)牙與無線標(biāo)記技術(shù)間，有著豐富技術(shù)支撐的技術(shù)提案，具有低功耗、低速率、短距離的技術(shù)特點(diǎn)。當(dāng)前，世界各知名企業(yè)均積極研發(fā)與推出了能夠?qū)崿F(xiàn)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(tǒng)，能兼容IEEE802.15.4，集成了8051內(nèi)核，能較簡便、快速的構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)。

1 ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)分析

ZigBee協(xié)議棧為層結(jié)構(gòu)，主要由物理層（PHY）、媒介訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）與應(yīng)用層（APL）構(gòu)成，其中，ZigBee聯(lián)盟對(duì)應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層架構(gòu)進(jìn)行了定義，而IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)則對(duì)媒介訪問控制層與物理層進(jìn)行了定義。各層均能為上層提供諸多能切實(shí)滿足其需要的服務(wù)，對(duì)于數(shù)據(jù)實(shí)體而言，則能為數(shù)據(jù)傳輸提供服務(wù)，管理實(shí)體則提供除上述外的其它服務(wù)。全部服務(wù)實(shí)體通過利用服務(wù)接入點(diǎn)（SAP），能夠?yàn)槠渖蠈犹峁┮粋€(gè)實(shí)時(shí)接入插口，各SAP對(duì)一定數(shù)量的服務(wù)原語均支持，因而能夠獲取所需功能。基于ZigBee協(xié)議架構(gòu)中，用戶僅需組建應(yīng)用程序框架便可，從開發(fā)者角度來考量，多注重的是應(yīng)用層構(gòu)架。

針對(duì)ZigBee應(yīng)用層而言，其包含三部分內(nèi)容，分別為用戶定義的應(yīng)用對(duì)象、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）與應(yīng)用支持子層APS。APS多用作設(shè)備綁定表的維護(hù)以及為綁定設(shè)備之間提供消息傳輸，在ZigBee架構(gòu)中，ZDO實(shí)為一個(gè)相對(duì)特殊的對(duì)象，多用作構(gòu)建安全管理及定義設(shè)備類型等。

在ZibBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，設(shè)備有兩類劃分，其一為簡化功能設(shè)備（RFD），其二為完整功能設(shè)備（FFD）。針對(duì)FFD而言，可將其當(dāng)作路由器或協(xié)調(diào)器，其能夠工作于各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，另外，還能與其它的RFD、FFD進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。而對(duì)于RFD來講，僅能被當(dāng)作終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，而且通信對(duì)象只能是統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)中的FFD。RFD與FFD有著相同的硬件結(jié)構(gòu)，但網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)存在不同。

2 硬件設(shè)計(jì)

在本次網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，無論是終端器還是路由器、協(xié)調(diào)器，均采用的是相同的硬件模塊結(jié)構(gòu)。在實(shí)際模塊設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)PC與模塊間的實(shí)時(shí)通信。另外，在具體的模塊設(shè)計(jì)中，PCB選用雙層板，實(shí)際設(shè)計(jì)中，兩層接地層會(huì)沿著銅皮走線方向而形成一個(gè)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(shí)的電流無法及時(shí)經(jīng)回路向地面導(dǎo)入，那么局部出現(xiàn)的電位過高情況，會(huì)造成信號(hào)判斷出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以，在板子上，需在兩層地面層，制作回路導(dǎo)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(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的是IAR7.60開發(fā)環(huán)境，基于Z-STACK-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧，完成相關(guān)應(yīng)用層程序的編寫。系統(tǒng)為一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)，由6個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，一個(gè)協(xié)調(diào)器符合建立網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)終端器與3個(gè)路由器組建網(wǎng)絡(luò)，由CC2530內(nèi)置的溫度傳感器完成溫度值的采集，并將采集所得數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給協(xié)調(diào)器。對(duì)于協(xié)調(diào)器而言，其所選用的是自啟動(dòng)模式，實(shí)際就是在預(yù)編譯選項(xiàng)中，將HOLD_AUTO_START去除。所以，基于ZDO初始化函數(shù)，從中完成網(wǎng)絡(luò)初始化，如果完成協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，會(huì)觸發(fā)ZDO_STATE_CHANGE事件，然后在串口調(diào)試軟件上，會(huì)顯示調(diào)用函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)建立狀態(tài)。系統(tǒng)以輪詢的方式檢測(cè)串口，如果串口有數(shù)據(jù)寫入，那么經(jīng)回調(diào)函數(shù)，向任務(wù)傳遞串口事件，然后在應(yīng)用層內(nèi)，定義My App_Call Back（）調(diào)用數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)發(fā)送函數(shù)，此時(shí)的數(shù)據(jù)就是控制命令。其中，對(duì)于發(fā)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(jìn)行分配，將其當(dāng)作數(shù)據(jù)發(fā)送的目標(biāo)地址。

終端器與路由器同樣可選用自啟動(dòng)模式。于網(wǎng)絡(luò)初始化階段，通過NLME_Network Discovery Request（）函數(shù)的調(diào)用，來發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，然后網(wǎng)絡(luò)接入成功后，觸發(fā)任務(wù)的ZDO_STATE_CHANGE事件，向協(xié)調(diào)器發(fā)送網(wǎng)絡(luò)地址。如果接收到控制命令數(shù)據(jù)，則此時(shí)的調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)便會(huì)對(duì)溫度值進(jìn)行采集，并實(shí)時(shí)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，如果發(fā)送失敗，在延遲1s后，會(huì)再次發(fā)送。

4 結(jié)語

綜上，本文著眼于Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于CC2530芯片，構(gòu)建了一個(gè)圍繞ZigBee的通信網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目應(yīng)用的搭建，有著幫助與參考。

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