基于CC2530的ZigBee协调器节点设计

引言

ZigBee技术是一种新兴的短距离无线传感器网络通信技 术。ZigBee技术以其短距离、低速率、低功耗等优点而被广 泛应用于环境监测、智能家居、汽车电子及工业控制等数据 量较小、传输速率要求不高的场合。相对于其它无线传感 器网络通信协议，ZigBee协议有其独特的技术优势。由于片 上系统(SoC)的出现，更降低了 ZigBee技术应用开发的难度, 但以往设计的ZigBee节点的处理器模块多数采用TI公司的第 一代产品(如CC2430、CC2420、CC1110等)，因此，通信距 离较短且可靠性不高。

本文在研究TI CC2530芯片及ZigBee 2007协议栈的基础 上，给出了基于TI新一代芯片CC2530的ZigBee协调器节点 设计方法，该方法选用TI CC2591作为射频前端芯片。本文同时对协调器建网及子节点关联加入网络的过程进行了研究。

1协调器节点的硬件设计

1.1节点硬件总体设计

ZigBee无线通信网络主要由协调器、路由器及终端设备3 种节点组成。在网络建立之初，每个网络有且仅有一个协调器 节点，主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护 功能，也可用来协助建立安全层和应用层的绑定叫鉴于协调 器节点的硬件及软件设计最为复杂，本文主要介绍协调器节点 的设计方法。协调器节点主要由处理器模块、RF前端、电源 管理模块及各外部接口等组成，也可根据需要增加传感器及 GSM/GPRS等模块。协调器的主要硬件结构图如图1所示。

1.2各功能模块介绍

(1)处理器模块

处理器模块采用CC2530作为主控芯片。CC2530是 一个兼容IEEE 802.15.4的、真正的片上系统，支持专有的 IEEE 802.15.4 以 及 ZigBee、ZigBee PRO 和 ZigBeeRF4CE 标 准。CC2530集成了 2.4 GHz的射频收发器、增强型工业标准 2012年/第5期物联网技术55\

的 8051 MCU、最大 256 KB 可编程 FLASH、8 KB 的 RAM 并 提供有一套广泛的外设集（包括2个USART、12位ADC和21 个通用GPIO）。同时，CC2530可以配备TI的一个标准兼容或 专有的网络协议栈（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI）来简化开发, 其RF发送输出功率为4.5 dBm,接收灵敏度为-97 dBm。

图1     协调器节点的京更件结构

（2）RF前端

RF前端采用TI公司的集成度很高的射频前端芯片 CC259116］。CC2591工作在2.4 GHz,内部集成有增益为+22 dBm 的功率放大器（EA）、低噪声放大器、平衡转换器、交换机、电 感器和RF匹配网络等。接收部分内部集成的LNA接收增益最 大为11 dBm,噪声系数为4.8 dB,接收机灵敏度可提高6 dB, 能显著增加无线系统的覆盖范围。

（3）电源管理模块

本系统可采用外接电源及干电池联合供电的方式。当外 接电源无效时，也可采用干电池为系统供电，以保证系统各节 点的正常运行。

（4）接口模块

一般情况下，协调器节点接口主要包括串行接口、电源接 口及JTAG接口，也可增加USB接口。当管理机无串口时，采 用USB接口可使该节点应用更为方便灵活。

（5）天线

天线可采用SMA天线［7］与倒F天线［8］相结合的方式。 其中SMA是Sub-Miniature-A的简称，全称应为SMA反极 性公头，就是天线接头是内部有螺纹的，里面触点是针（无线 设备一端是外部有螺纹，里面触点是管），这种接口的无线设 备是最普及的；倒F天线的设计可采用TI公司公布的参考设 计，该天线的最大增益为+3.3 dB,完全能够满足CC2530工 作频段的要求。

2节点软件设计及组网研究

组建一个完整的ZigBee网络主要由ZigBee协议栈的网 络层来实现。ZigBee网络层主要为新加入的节点分配地址并 提供路由发现及路由维护等。协调器作为网络的第一个节 点设备，主要负责网络的建立及参数配置，图2所示是其软 /56物联网技术2012年/第5期

件流程图。该节点设计的开发环境为IAR MCS-51 7.51A,采 用的协议栈是TI Z-Stack 2.3.1,该协议栈可支持ZigBee 2007/

图2     协调器节点工作流程图

组建网络的两个步骤主要是网络初始化及节点加入网络。 网络初始化首先要确定网络协调器，通过主动扫描发送信标请求 命令来检测该网络中是否存在协调器。如果在扫描期限内没有检 测到信标，则将自己作为网络的协调器，并不断地产生信标并广 播出去；然后进行信道扫描，对指定的信道或默认信道进行能 量检测以避免可能的干扰，并将那些能量值超过了允许水平的信 道丢弃，而后对剩余信道进行主动扫描，以检查区域内有没有其 它ZigBee网络存在；完成主动扫描后，即可获得设备所在区域 内已有的各ZigBee网络的网络标识符（BANID）,至此，网络初 始化基本完成。

节点加入网络可通过两种方式完成：一是由子节点发起的 通过关联加入网络；二是由父节点发起的通过已有父节点（协调 器或路由器）加入网络。图2所示流程图中的子节点便是采用 第一种方式入网的。当一个节点希望加入该网络时，首先会进 行信道扫描来捜索周围是否存在协调器。若在扫描期限内检测 到协调器，则向其发送关联请求。协调器收到请求后会回复一 个确认帧（ACK）,并向其上层发送连接指示原语。当节点收到 协调器的回复帧后，节点的MAC层将等待一段时间，以便接 收协调器发出连接响应。如果协调器的地址资源足够，它就会 给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新连接和连接状态 的响应命令。至此，节点将可以成功地和协调器进行连接，并 可以开始通信。这一系列的过程都是通过协议栈各层间原语通 信实现的。节点与协调器关联入网的原语时序图如图3所示。

发送ZDO状态改变消息ZDO ENDDEVICE

3节点测试结果

3.1收发数据测试

在对设计的协调器节点进行测试时，首先利用串口调试助 手软件对节点的可收发数据进行测试。将测试节点通过串行接 口与上位机相连，并通过下载线与程序下载器相连。设置波特率 为9 600 b/s、无奇偶校验位 数据位为8位、停止位为1位，采用 COM3通信。实验结果证明，该设计节点可正常收发数据。其串 口调试结果如图4所示。

图3节点与协调器关联入网原语时序图

3.2通信参数测定

节点的性能参数可采用TI公司的SmartRF Studio7软件

进行测试。在测试中，应设定通信信道不变且收发数据包大 小固定，测试节点均采用外接电源供电。在实际测量中，发现 该节点在室内时通信效果良好，丢包率很小且接收灵敏度很 高。而在室外测试时，随着测试距离的增大，通信效果逐渐 变差，丢包率逐渐增加且接收灵敏度不断变差。测试结果如 表1所列。

由上述实际测试结果可知，该设计节点具有较远的通信 距离，并且丢包率较低、接收灵敏度较高，可应用于智能家居、 楼宇控制及一般工业控制等场合。

4结语

本文介绍了基于TI公司CC2530的ZigBee协调器节点 的软硬件设计方法，对其组建网络及子节点通过关联加入网 络的过程进行了分析，并在硬件设计上对各个模块进行了分析, 同时给出了外围电路的连接图。在组网研究中，说明了协调器 作为网络的第一个设备组建网络的工作流程，并分析了子节点 通过关联协调器节点加入网络的过程。经实际测试，该协调器 节点可正常工作且通信效果良好。

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