基于CC2530的ZigBee无线网络的研究与设计

1、基于CC2530的ZigBee无线网络的研究与设计摘要：由于ZigBee技术低成本，低功耗，使其在许多领域得到了广泛应用。本文讨论了ZigBee协议网络拓扑结构、设备类型和协议架构，介绍了CC2530芯片。然后我们在Z-Stack网络协议栈的基础上，做了一些测试的内容，如网络通信距离和丢包率的测试。试验结果表明，ZigBee网络采用CC2530具有通信距离远、通信质量好的优点。关键词：ZigBee; CC2530; 无线网络测试1导论随着无线通信技术的迅速发展，电力，通信的技术的可靠性和灵活性受到行业及研究员越来越多的重视。低功耗、低成本、数据传输可靠和灵活的网络布局的特点，ZigBee已经成

2、为最有发展前景的技术，在许多领域得到广泛的应用。TI的CC2530是一个真正的系统-专为IEEE 802.15.4、ZigBee、RF4CE和智能能源应用的芯片解决方案。因此，设计并实现了基于CC2530 的大规模ZigBee网络是非常重要的。2.ZigBee无线通信技术ZigBee无线通信技术是基于IEEE802.15.4标准的技术。其良好的抗干扰性能可以帮助它在2.4GHz频段与Wi-Fi、蓝牙，无线USB，家用无线电话和微波炉可靠并存。2.1 ZigBee网络的拓扑结构和设备类型有三种典型的拓扑结构的ZigBee网络支持：星形，树形和网状形。我们可以选择的类型根据项目的要求。ZigBee

3、网络中有三种类型的设备：协调器，路由器和终端设备。协调器是整个网络的中心，负责网络的建立、管理和维护安装。它也可以控制监控区域。路由器负责允许其他设备加入网络，多跳路由，包转发。终端设备可以加入和离开网络，发送和接收数据，它可以选择不工作。2.2结构的ZigBee协议ZigBee协议栈由四层组成的，其结构如图1所示。IEEE802.15.4协议定义了物理层和MAC层，ZigBee联盟定义了网络层和应用层。物理层网络层MAC层应用层图一：ZigBee协议栈的构成如图1所示，物理层负责物理信道的数据传输和管理。包括在MAC层的主要功能如下：为协调器生成和发送网络信标，提供可靠的通信链路之间的实体，

4、维护设备的安全等功能。网络层负责建立网络连接的拓扑结构和维护网络的拓扑结构，以及为了设备进行路由发现和路由转发。应用层是由应用支持子层（APS）、ZigBee设备配置和用户层组成。APS主要提供ZigBee端点接口。Zigbee设备配置在层提供标准的ZigBee配置服务。基于用户的需求去开发用户应用程序。3、CC2530芯片系统CC2530是由TI推出在2.4GHz频段的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议体系的芯片。其内部集成的高性能射频收发器，以行业标准的增强型8051单片机为核心，内置有256KB的闪存ROM和8KB的RAM。主要特点如下：拥有两个USART，8位和16

5、位定时器，看门狗定时器，8个输入可配置的12位ADC、21个GPIO，AES128协处理器，硬件支持CSMA/CA，数字化的接收信号强度指示、链路质量指示功能和强大的DMA功能，电池监测功能和温度传感功能。它支持五种工作模式，能更好地满足低功耗系统的需求。在接收和传输模式它的电流大小分别是24mA和29mA。由于其硬件设计相对简单，小封装，低功耗，它已被广泛应用于无线传感器网络中。CC2530可以作为ZigBee协调器、路由器和终端设备。随着Ti和Chipcon公司的ZigBee协议栈的结合后，CC2530是最具市场竞争力的ZigBee解决方案。本文研究了ZigBee网络采用了TI公司的Z-S

6、tack协议栈。4 ZigBee网络的形成4.1 Z-Stack协议栈的分析Z-Stack是由TI公司支持的ZigBee协议栈。它从主函数开始执行。主要功能实现了系统的初始化，然后开始运行旋转查询操作系统 OSAL。OSAL中定义了两个关键数组，*tasksEvents 和* tasksarr。前者存储值，编号从0到taskcnt，在这个周期中作为一个当前任务的需要。运行所需的任务的值是非零的，而其他则为0。任务数越小，优先级越高。Tasksarr存储入口地址和每个任务对应。只有记录在tasksevents中，任务才可称为在这个周期。 OSAL 工作方式是：查询和处理工作任务不断地运行。4.2

7、 ZigBee组网过程ZigBee网络的协调器初步建立，其他节点通过申请加入网络，以及网络的过程如图2所示。当第一个FFD设备被激活时，它首先在物理层中扫描有效的默认信道能量，其目的是检测可能的干扰和序列的信道的信道能量值。然后执行迅速的扫描过程去选择一个最佳信道作为当前信道的。协调器是第一个成功的网络节点。图2: ZigBee网络流程图在建立网络后，所有其他节点都被视为子节点，在其范围内发送请求找到通信网络。如果发现网络，节点选择父节点到请求加入网络，等待父节点响应。父节点接收到它后，它会作出判断是否允许它加入网络。如果允许加入，父节点将回应通知子节点的请求。在子节点接收到请求响应后，父节点

8、将为其分配一个网络地址。网络地址，也被称为短地址，是网络内一个唯一标识。现在这个节点成功加入了网络。第一个FFD节点作为协调器将灵活广播信标帧，同时接收一个新节点的网络请求。IAR7.51作为开发环境。基于协议栈z-stack-cc2530-2.2.0-1.3.0，我们建立了一个ZigBee网络并且也已经实现了一个星形网络的几个节点。协调器节点可通过USB连接到电脑并通过PC机的串口软件显示接收到的数据。其他节点被设计为路由器，它可以定期向协调器发送数据。5测试与分析测试工作分为两个部分，包括在室外进行的传输距离测试和在实验室环境中的数据包丢失率测试。5.1传输距离试验除选择测试环境更加开放的

9、空间外，ZigBee节点分布在广场的四周。CC2530模块成功下载通讯测试程序后，传输距离测试开始。CC2530输出功率设置为4.5dBm。为了便于观察节点是否加入网络传输数据，我们让终端设备定期发送数据包到协调器。协调器连接到一个平板电脑，在那里显示接收到的数据。而数据接收成功的话，接收模块上的LED就会闪烁一次，表示成功的完成了数据传输。通过这种方式我们可以得到在ZigBee网络通信中点的点的传输距离。表中显示的两个节点通信测试数据之间的距离。表1：传输距离的测试结果antennas012Network4m8m>100mCommunication15m30m>100m网络距离反

10、映一个节点可以在多远的距离内加入网络。结果表明，ZigBee网络的距离小于通信距离。这是因为一个 Z-Stack节点需要加入网络的话信号强度必须要大于比-85dbm。一旦成功加入网络，这样的判断是没有进行任何更多的进一步的数据通信。然而如果模块安装全部的天线，实际通信距离可以超过100米。5.2网络丢包率测试为了测试在网络中的通信节点的数据包丢失，我们使用两个节点进行实验。节点1是通过USB接口连接到计算机，接收到的数据能通过在计算机上的串口助手显示。节点2使用电池供电的底盘。节点2周期性地将数据包发送到节点1。将传输周期设置为500ms。这个实验是在实验室中进行的，其具有复杂的电磁环境。具体

11、测量数据包丢失率如表2所示。表2数据格式是：数据包的总发送数/丢包率。表2：数据包丢失率的测试结果timeindoor 3moutdoorInterval3 walls11110/0.5%1015/0.2% 1038/0.1%21043/0.1% 1021/01013/0.5%31140/0.7%1092/01075/7.0%41013/0.6%1094/0.1%1070/2.7%51004/0.1% 1009/01089/5.5%61077/0.5%1048/0.2% 1021/1.9%71016/01127/01003/0.2%81045/0.9%1029/0 1028/2.6%91032/0.2%1203/0.2%1011/1.0%101098/0.3%1128/0 1002/0.2%avg0.38% 0.07% 2.2%从表2可以看出，ZigBee网络的丢包率非常低，即使两节点在房间中的三个墙壁隔开，平均丢包率低于仍然3%。所以ZigBee网络的使用 CC2530具有良好的通信质量。6结论本文讨论了三种网络拓扑的ZigBee协议，三设备类型及其结构。它