基于CC2530的Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計[圖]

1  引言

基于zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)點多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場合，在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領(lǐng)域已取得一席之地[1]。同時，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善[2]。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求[3]。

2  設(shè)計要求

2.1 zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，zigbee網(wǎng)絡(luò)有星形，樹形，網(wǎng)狀3種模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能劃分可分為終端節(jié)點(ep)、路由器節(jié)點(rp)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(cp)3種[2]。其組織結(jié)構(gòu)如圖1示。

圖1 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動作[2]。這就要求zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需扮演終端感知者、網(wǎng)絡(luò)支持者、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者3種角色。

從功能上，zigbee節(jié)點應(yīng)由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設(shè)功能模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊圖

其中，包括dma、usart模塊、定時器模塊、a/d模塊在內(nèi)的豐富的外設(shè)功能來滿足網(wǎng)絡(luò)對硬件資源的需求，存儲器模塊完成協(xié)議棧的存儲與執(zhí)行，cpu實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算與處理，mac定時器用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，使用aes技術(shù)對信息進行加密，無線模塊完成收據(jù)的收發(fā)與信息幀控制。

2.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計要求

(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。

(2)體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術(shù)較其它無線技術(shù)的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有較高的性價比。

(3)可靠性。與有線傳輸介質(zhì)相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網(wǎng)絡(luò)是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡(luò)在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點應(yīng)選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術(shù)。

(4)通用性。布建zigbee網(wǎng)絡(luò)的最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設(shè)備的操作要求。

(5)低功耗，支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機制使設(shè)備更加省電。典型的zigbee節(jié)點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。

zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計應(yīng)按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。

3  硬件設(shè)計

3.1芯片選型

zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運行[3]。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的硬件設(shè)計中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設(shè)計方案，本設(shè)計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。

設(shè)計選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee 802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案，也是目前眾多zigbee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下：

(1)片內(nèi)集成增強型高速8051內(nèi)核處理器，支持代碼預(yù)�。�256kflash程序存儲器，支持最新zigbee2007pro協(xié)議；8k數(shù)據(jù)存儲器；支持硬件調(diào)試[3]。

(2)支持2v-3.6v供電區(qū)間，具有3種電源管理模式：喚醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中斷模式0.4ua。包括處理器和智能片內(nèi)外設(shè)在內(nèi)的模塊，具有超低功耗的特點[3]。

(3)片內(nèi)集成5通道dma；mac定時器；1個16位、兩個8位普通定時器；32khz睡眠定時器；電源管理與片內(nèi)溫度傳感器；8通道12位ad轉(zhuǎn)換器；看門狗等智能外設(shè)[3]。高密度集成化電路節(jié)約設(shè)計成本。

(4)應(yīng)用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、zigbee網(wǎng)絡(luò)、家居自動化、照明系統(tǒng)、工業(yè)測控、低功耗wsn等領(lǐng)域[3]。
cc2530芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 cc2530片內(nèi)功能模塊圖