基于CC2430的Zigbee无线数传模块设计

     1 引 言

　　随着传感器技术、DSP技术、计算机技术和芯片技术的快速发展， 无线传感器网络和短距离无线个人局域网技术得到了飞速发展。世界各大半导体公司都相继研发出了基于ZigB ee技术的SOC芯片， 使得Z igBee技术能够在很小的空间以很高的性能得以实现， 并在各方面应用中越来越体现出其优势。

　　TI的CC2430是业界首款可提供超强特性的ZigBee SoC解决方案。它将CC2420 RF收发器的出色性能与业界标准增强型MCU 的8kBRAM 与丰富的外设集完美结合。ZigBee技术被列为当今世界发展快、市场前景广阔的十大技术之一， 其传输距离约为70m 左右， 网路架构具备M aster /S lave属性， 并可达到双向通信共用。因此， 设计开发出一种高可靠性的无线传感器模块成为新的研究热点。

　　2 Z igBee技术简介

　　ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂性、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术， 一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案。主要用于近距离无线连接， 是一组IEEE 批准通过的802.15. 4无线标准开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。ZigB ee联盟还开发了安全层， 以保证这种便携设备不会意外泄露其标识， 而且这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。它依据IEEE802. 15. 4 标准能在上千个微小的传感器之间相互协调实现通信， 可完成数据的采集、量化、处理、融合及传输。

　　ZigBee以一个个独立的工作节点为依托， 通过无线通信组成星状、片状或网状网络。因此， 每个节点的功能并非相同， 为降低成本， 系统中大部分的节点为子节点。从组网通信上， 它只是其功能的一个子集， 成为精简功能设备。简单的控制应用， 传输的数据量较少， 对传输资源和通信资源占用不多， 可以采用非常廉价的实现方案， 在网络结构中一般作为通信终端。另外还有一些节点， 负责与所控制的子节点通信， 称之为全功能设备(也成为协调器)。需要功能相对比较强大的MCU， 一般在网络结构中用作于网络控制和管理功能， 还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。

　　3 无线网络的通信协议

　　完整的Z igBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigB ee 联盟制定， IEEE802. 15. 4负责物理层和链路层标准。PHY 层由射频收发器以及底层的控制模块构成。MAC 子层为高层访问物理信道提供点到点通信的服务接口。应用会聚层将主要负责把不同的应用映射到ZigB ee网络上。

　　物理层提供了媒体访问控制层与无线物理通道之间的接口， 主要完成激活/休眠无线收发设备、对当前频道进行能量检测、链路质量指示、为载波检测多址与避免碰撞( CSMA - CA )进行空闲频道*估、频道选择、数据的发送及接收等。

　　MAC子层运用CSMACA 机制来访问无线通道。其功能包括发送信标帧( beacon frames)、同步以及提供一个可靠的传输机制。

　　网络层负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务， 它们协同完成寻址、路由及安全等任务。网络层主要考虑基于adhoc技术的网络协议。

　　应用层定义了各种类型的应用业务， 是协议栈的层用户。应用层主要负责将不同的应用映射到ZigBee网络上， 具体包括: 安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现等。

　　4 系统设计与实现

　　该模块根据无线传感器网络由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。其发射功率可调、波特率可调以及数据响应格式可改变， 以实现更加可靠、稳定地传输数据， 同时大大降低误码率。由于ZigBee无线通信网络标准具有支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等优点， 它比较符合所设计模块的要求， 因此无线数传模块系统选用了基于ZigB ee 的通信方式。

　　测试系统总共由50个节点组成， 网络拓扑结构为网状网络。50个节点之间互相收发数据， 测试其数据通信功能、稳定性及通信距离。其总的结构框图如图1所示。

图1 系统框图1: 数据发送; 2: 数据接收

　　由结构框图知， PC机1发送的数据通过串口连接到无线数传模块， 然后通过天线将数据发送到另一个无线数传模块， 通过串口发送到PC 机2上。对于PC 机2也是相同的过程， 这样完成数据的收发， 其中的两个无线数传模块完全相同。

　　4. 1 硬件设计

　　该无线传输模块主要由以下几部分组成: CPU部分、射频部分和接插件、天线以及测试底板。CPU部分由CC2430 及其辅助电路组成。CC2430 芯片是Ch ipcon公司生产的首款符合ZigBee技术的2.

　　4GH z射频系统单芯片， 适用于各种ZigBee或类似Z igBee的无线网络节点， 包括调谐器、路由器和终端设备。CC2430芯片延用了以往CC2420 芯片的结构， 在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它使用1个8位微处理器， 具有32/64 /128Kb可编程闪存和8Kb的RAM， 还包含模/数转换器、定时器、AES- 128安全协处理器、看门狗定时器、32KH z晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I /O 引脚。CC2430的连接主要考虑复位电路、晶振、天线和必要的阻抗元件设计。

　　射频部分主要由功率放大器( PA )和低噪声放大器( LNA )组成。在发送数据的过程中加入功率放大器， 因为功率放大器的发射功率可达到20多dBm， 将会大大提高传输距离。同样接收时加入低噪声放大器， 因为低噪声放大器的增益可达13db左右， 将会提高传输数据的可靠性和准确性。接插件的设计主要是为了方便模块的替换。天线的设计也是很重要的， 由于2. 4GHz的无线电波属微波频段中的低频段， 沿直线传播。在短距离无线通信技术应用中， 对通信距离非常敏感。决定通信距离的因素有两个: 系统的动态范围和电磁波的传播损耗。

　　应该注意的是使用天线时， 天线与CC2430的射频收发器必须相匹配， 否则此无线数传系统的传输距离很近。测试底板主要是为了测试和调试， 包括USB转UART 、电源、指示灯， 调试串口等部分。

　　一方面实现从计算机的U SB 串口接到调试串口上并通过USB 转UART， 从而与上位机连接， 实现对无线数传模块进行调试; 另一方面可以对上面的无线数传模块供电。图2为无线数传模块的结构框图。

图2 无线数传模块的结构框图。

　　4. 2 软件设计

　　无线数传模块与上位机的串口通讯程序是用微软公司的开发工具M icroso ft V isual Studio 2005来开发的， 主要采用VB来开发， 对模块的配置和数据通信进行了设置和读取。根据数据通信协议， 设计和开发了基于VB 的上位机测试配置软件。建立并试验了无线传感器网络的实验， 利用软件对模块数据通信做了实际测试， 并实际测试了其通信距离(可达2Km)和稳定性， 实现了无线传感器网络的数据通信功能， 同时对测试结果进行了分析。以下是用Ag ilent和TEK 频谱分析仪测试的频谱如图3- 图4所示。

　　图4是在发射功率为20. 08 dBm 下的测试图，其中EVM ( 矢量幅度误差) ( RMS 有效值) 为7. 39% ， EVM ( Peak峰值)为16. 11%。

图3 安捷伦公司频谱分析仪上的测试图。

　　该测试结果证明: 在保证数据可以通信80%以上的时候， 传输距离大部分都可以达到2Km 以上，并且各个无线路由器节点的路由功能也正常。根据理论计算， 在没有建筑物和其它东西遮挡的情况下，覆盖范围可达几十平方公里以上。

图4 泰克公司频谱分析仪上的测试图。

　　5 结束语

　　总而言之， 该无线数传模块选择了TI的SOC芯片， 该芯片的内部设计和外围接口不但降低了设计的复杂程度， 而且给调试带来很大的方便; 又工作于2. 4GHz的、免申请频段， 便于推广到各个应用和各个地方; 加上光纤传感器的优点， 与其结合， 将来一定可以可靠的应用到各个领域。

　　从软件方面考虑， 可以灵活控制外设的工作模式， 比较容易控制自身的功耗。串口芯片的使用大大降低了系统中接口设计的复杂性， 实现了数据与主机的快速通信， 也使系统的调试过程大大减化。

  

参考文献:

[1]. CC2430 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CC2430_1055132.html.
[2]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[3]. CC2420  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CC2420+_213269.html.