IEEE 802.15.4的CC2530無線數(shù)據(jù)收發(fā)設計[圖]

摘要：基于TI公司的CC2530實現(xiàn)了IEEE 802.15.4(ZigBee)的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)協(xié)議；在分析CSMA-CA算法的基礎上，重點討論了片內(nèi)集成的命令選通/CSMA-CA處理器的工作機制，同時組建了一個小型星狀網(wǎng)絡。測試結果表明，在節(jié)點通信范圍內(nèi)，節(jié)點收發(fā)的成功率和正確率均達到了100%。

0 引言

基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)是綜合了傳感器技術、信息處理技術和無線通信技術，采用大量的節(jié)點覆蓋監(jiān)測區(qū)域，形成一個自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，目前已在自動控制、環(huán)境監(jiān)測等領域得到廣泛的應用。在對無線傳感器網(wǎng)絡MAC層深入研究的基礎上，結合TI公司SoC芯片CC2530，實現(xiàn)了節(jié)點間的點對點通信功能，為研究上層協(xié)議打下了基礎。

1 CC2530芯片簡介

CC2530是TI公司針對2.4GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4協(xié)議的片上集成芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051MCU內(nèi)核、256KB Flash ROM和8KB RAM。其主要特性：具有2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、數(shù)字化的RSSI/LQI和強大的DMA功能，具備電池監(jiān)測和溫度感測功能；支持5種工作模式，且轉(zhuǎn)換時間短，可以較好地滿足超低功耗系統(tǒng)的要求；在接收和發(fā)送模式下，電流損耗分別為24mA和29mA。由于其硬件設計簡單，封裝小，功耗低，在無線傳感器網(wǎng)絡中得到了越來越廣泛的應用。

2 CSMA-CA機制

IEEE 802.15.4協(xié)議中采用CSMA-CA機制來避免數(shù)據(jù)沖突。根據(jù)是否采用信標，網(wǎng)絡分為非信標網(wǎng)絡和信標網(wǎng)絡兩種。非信標模式下，節(jié)點使用CSMA-CA機制競爭信道：節(jié)點隨機退避一段時間，執(zhí)行CCA(空閑信道評估)，若信道IDLE則傳送數(shù)據(jù)，若信道BUSY則重新等待一段隨機時間后執(zhí)行CCA。

在信標網(wǎng)絡中，將超幀劃分了16個時隙，因此執(zhí)行的退避時間都是以時隙為單位，CCA在退避周期的邊界處開始執(zhí)行。圖1是IEEE 802.15.4標準規(guī)定的CSMA-CA算法流程。

每個節(jié)點在每次嘗試傳輸時都需要維護3個變量：后退次數(shù)NB、競爭窗口CW和后退指數(shù)BE。變量NB是嘗試當前幀發(fā)送過程中CSMA-CA算法執(zhí)行隨機退避的次數(shù)，每個新的傳輸嘗試之前NB應初始化為0。在IEEE802.15.4中，定義NB的最大值為4，如果節(jié)點經(jīng)過4次信道忙碌退避后仍然無法接入進行數(shù)據(jù)傳送，則放棄數(shù)據(jù)傳送，并向上層報告。變量CW是競爭窗口的長度，它表示允許發(fā)送前要求信道連續(xù)空閑的時間，只用于時隙CSMA-CA算法，可以給處理器處理不同時隙留有時間保護帶，以免數(shù)據(jù)幀沖突。BE值的大小影響節(jié)點接入信道的能力，若設置得過小，起不到降低沖突的作用；設置得過大，延時作用不明顯。IEEE 802.15.4推薦的默認值為3，最大值為5。當BE設為0時，則只進行一次碰撞檢測。

3 命令選通協(xié)處理器

CC2530片上集成的命令選通協(xié)處理器(CSP)提供了MCU和無線電之間的接口，有立即選通命令和程序執(zhí)行兩種模式，可以處理MCU發(fā)出的命令。同時還有一個24字節(jié)的程序存儲器，配合MAC定時器自動執(zhí)行CSMA-CA算法，充當MCU的協(xié)處理器。CSP復位后，指令寫指針復位到位置0，在每次RFST寫入期間指令寫指針累加1，直到程序存儲器的終點。另外，CSP還有4個寄存器：CSPT、CSPX、CSPY和CSPZ。MCU可以對它們讀寫，設置CSP運行所需的參數(shù)。程序執(zhí)行模式下運行一個CSP的流程如圖2所示。

4 節(jié)點通信實現(xiàn)

4.1 通信機制

CC2530是通過寄存器TXFIFO和RXFIFO來實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的。發(fā)送數(shù)據(jù)時，往TXFIFO中寫入數(shù)據(jù)，無線電模塊自動添加PHY層同步頭和FCS，通過選通命令STXON或STXONCCA發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)接收完成時，產(chǎn)生RXPKTDONE中斷，在中斷服務程序中通過讀取RXFIFO即可。

本文根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議，定義了精簡的MAC層幀格式，如圖3所示。

幀控制域占一個字節(jié)。其中，幀類型占2位，00表示同步幀，01表示數(shù)據(jù)幀，10表示確認幀，11表示命令幀；確認請求占1位，1表示接收設備在接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀時如果判斷其為有效幀就要向發(fā)送設備反饋一個確認幀，0表示該接收設備不需要反饋確認幀。幀序號唯一標識各個幀，用于確認幀和數(shù)據(jù)幀或命令幀的匹配。目標地址和源地址分別用2個字節(jié)表示。由于IEEE 802.15.4規(guī)范中定義了物理服務數(shù)據(jù)單元(PSDU)的最大長度為127字節(jié)，而其中的8字節(jié)已經(jīng)被使用，因此有效負載(pay-load)的字節(jié)長度為1～119字節(jié)。

數(shù)據(jù)發(fā)送有3種模式：非CSMA-CA、時隙CSMA-CA和非時隙CSMA-CA。待數(shù)據(jù)按上述格式寫入TXFIFC)后，執(zhí)行“RFST—ISTXON”啟動CSP程序。

以下為基于時隙CSMA-CA模式的CSP程序代碼：

4.2 實驗結果

本網(wǎng)絡是由一個中心節(jié)點及10個終端節(jié)點組成的星狀網(wǎng)。硬件采用由CC2530制作的傳感器板，測試數(shù)據(jù)由片內(nèi)自帶的溫度傳感器提供。

如圖4所示，中心節(jié)點采用輪詢的方式采集終端數(shù)據(jù)，通過串口顯示到上位機軟件上。其中，a代表中心節(jié)點發(fā)送的命令幀；b為上傳的數(shù)據(jù)幀；c為中心節(jié)點發(fā)送的確認幀。終端節(jié)點采用非時隙CSMA-CA的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

圖5所示測試結果表明：在節(jié)點通信半徑內(nèi)，當輪詢時間大于等于15.36ms時，節(jié)點間通信未丟失任何數(shù)據(jù)包，且沒有誤碼現(xiàn)象。隨著節(jié)點距離增大，節(jié)點丟包率逐漸上升。周期時間隨著節(jié)點的增多而增大，延時積累明顯。

5 結語

本文設計了基于CC2530的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，并詳細介紹了兩個節(jié)點之間點對點通信的實現(xiàn)，同時對CSMA-CA算法進行了詳細說明。實驗結果表明節(jié)點能夠正常通信。

本文為進一步的上層通信協(xié)議設計提供了基礎，具有一定的參考價值。

作者：李志方 鐘洪聲 電子科技大學 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng)