基于ZigBee技术的无线数传模块设计

摘要：给出了基于ZigBee的无线数传网络系统的设计和实现方法。该无线数传网络系统基于UART串口通信协议，工作在无需申请的2．4GHz ISM频段，并遵循IEEE 802．15．4／ZigBee协议，可以在全球范围内应用而不用担心与其它ZigBee用户的地址相冲突。
关键字：CC2430；ZigBee；串口通信协议；无线传感器网络

O 引言
    短距离无线通信标准，如802．11家族、蓝牙、IrDA、超宽带无线通信、ZigBee等无线网络技术的基础是IEEE 802．15．4无线通信协议，它是新兴的无线通信协议，是IEEE确定的低速个人区域网络(Personal Area Net-work)标准。本文主要采用TI公司的系统级芯片(SOC) CC2430来研发符合ZigBee协议和IEEE802．15．4标准的2．4G ISM频段的移动自组网无线路由数传模块的设计方法。

1 ZigBee无线通信标准的特点
    ZigBee无线通信标准相对于其他的无线通信标准具有比较明显的特点和优势，如极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等等。现总结说明如下：
    ◇功耗低：ZigBee的传输速率低(10 KB／秒～250 KB／秒)，且发射功率仅为lmW，同时由于采用了低功耗模式，故其ZigBee设备非常省电；
    ◇成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，之后便很快降到了1．5～2．5美元，ZigBee的协议简单而且占用空间小，也降低了开发成本；
    ◇时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30 ms，休眠激活时延为15 ms，活动设备信道接入时延为15 ms。因此，ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合)等应用；
    ◇可靠性：由于采用碰撞避免策略，同时又为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，因而避开了发送数据的竞争和冲突。MlAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输出现问题，还可重发，因此，ZigBee技术十分可靠；
    ◇安全性：ZigBee提供有基于循环冗余码校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，又采用了128位高等加密算法(AES：Advanced Enciyption Standard)，因此，各个应用可灵活确定其安全属性。
    以上特点中，最关键的是网络的可靠性和低功耗。因为在工业、农业、车载电子系统、家用网络、医疗传感器和伺服执行机构等领域中，对于无线网络的要求与人们日常使用的其他设备有很大区别。它通常要求是功耗非常低，而可靠性却很高。针对功耗和高可靠性这两方面的要求，ZigBee无线通信标准都有专门的设计。这也是ZigBee无线通信标准最突出和最优秀的地方。

2 数传模块的具体指标
    根据数传模块的灵敏度、噪声系数、选择性、传输延时、安全等级等各项性能要求，ZigBee模块的各项技术指标如下：
    ◇射频频率：2．4GHz；
    ◇通道数：具有16个射频通道2．405～2．485；
    ◇通讯视距：可靠传输距离在100米以上；
    ◇发射功率：低功耗型为-25～0 dbm；可调远距离型为18．5～26 dbm可调；
    ◇接收灵敏度：低功耗型为-90 dbm；远距离型为-99 dbm；
    ◇网络拓扑：星状、树状、网状；
    ◇每跳延时：不大于15 ms；
    ◇数据安全：采用128-Bit AES加密算法。

3 数传模块的系统架构与总体设计
    根据对数传模块技术指标的要求，系统的总体设计可分为无线数传模块、测试底板、计算机测试配置软件等三部分。图1所示是其系统框图。该测试系统总共由50个节点组成，其网络拓扑结构为网状网络。50个节点之间可以互相发送数据，并可测试其数据通信功能、稳定性及通信距离。其中无线数传模块的设计方案如图2所示。

4 无线数传模块的硬件设计
    无线数传模块的硬件设计主要分为CPU部分、射频部分和接插件三个部分。图3所示是CPU部分的主要电路，它由CC2430及其辅助电路组成；射频部分主要由功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)组成；作为通用产品，接插件的选择也至关重要，为了方便模块的替换，本文选择可插拔、间距为1．27 mm的插针作为接插件。

    该接插件使得模块也可以像其他芯片一样直接焊接在目标PCB上，同时，也可以上自动贴片机。

    图4所示是系统中的射频部分电路原理图。为了使传输距离更远，就必须加大发射功率和提高接受灵敏度，所以，在射频部分，本文的设计又增加了PA、LNA以及一些信号开关和开关控制信号的产生电路。LNA的增益可达13 dB左右，因而大大提高了传输距离和可靠性。

    图5所示是系统射频功放电路图，其中PA的发射功率可达20 dBm，故可大大提高传输距离。

    经过实践验证，该模块具有通信距离远、运行稳定可靠等优点。图6所示是用Agilent公司的频谱分析仪测试的频谱图。

5 无线数传模块的软件设计
    本文是在TI的ZigBee协议栈和一些应用示例的基础上编写的应用层代码。其中UART部分用的是芯片的DMA来实现的，这样可使UART的数据收发更加及时，同时也使得CPU运行更快。其软件流程图如图7所示。图8所示是其系统初始化流程图。

6 结束语
    随着现代网络通信技术的发展，无线网络通信标准得到了迅速发展和应用，本文主要针对ZigBee无线数传模块的实现，提出了自己的硬件解决方案。该无线传感器网络系统选择TI的SOC芯片CC2430，该芯片的外围接口不但可以降低设计的复杂程度，而且可以给调试工作带来很大的方便。由于该ZigBee无线数传模块可以工作于2．4GHz的全球免费、免申请频段，因此，十分便于推广到各个应用领域。