CC2530和FPGA的新型無線網(wǎng)絡節(jié)點設計

萬智萍

（中山大學新華學院，廣州510520）

萬智萍（講師），主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、無線傳感網(wǎng)、圖像處理。

引 言

在當今的技術領域，使用ZigBee協(xié)議進行組網(wǎng)正趨向于成熟。使用ZigBee技術，可以簡單地組建一個廣泛適用、穩(wěn)定可靠的無線網(wǎng)絡，這種網(wǎng)絡由多個具有計算處理、無線通信、傳感技術以及控制能力的單節(jié)點構成［1］。ZigBee技術利用全球公用的公共頻率2.4GHz，應用于監(jiān)視、控制網(wǎng)絡時具有低成本、低耗電、網(wǎng)絡節(jié)點多、傳輸距離遠等特點［2］。無線網(wǎng)絡根據(jù)應用環(huán)境和要求的不同有著不同的種類劃分，在醫(yī)療、保健、化學處理和災難救助等領域應用廣泛［3－4］。并且靜態(tài)節(jié)點和動態(tài)節(jié)點隨社會發(fā)展開始相互結合，使得整個網(wǎng)絡更加靈活［5－6］。本文設計了一種無線網(wǎng)絡節(jié)點，在靜態(tài)的無線網(wǎng)絡結構中能動態(tài)地作為一個節(jié)點參與組網(wǎng)，不再采用MCU控制以CC2530為主芯片的模塊的方式，而采用CC2530與FPGA相互傳輸控制；使用CC2530所具有的ZigBee協(xié)議進行互聯(lián)，實現(xiàn)一種新型的動態(tài)無線網(wǎng)絡節(jié)點的設計。

1 網(wǎng)絡協(xié)議與結構

1.1 ZigBee協(xié)議

ZigBee是以IEEE 802.15.4無線標準為基礎開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議，是IEEE第一種用于傳感器與制動器等監(jiān)測和控制應用的開放無線標準［7］。無線傳感器網(wǎng)絡由許多功能相同或不同的傳感器節(jié)點組成，而每個傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和控制、通信和電源4個模塊組成。節(jié)點在網(wǎng)絡中負責完成數(shù)據(jù)的采集、收發(fā)和轉發(fā)［8－9］。作為ZigBee協(xié)議網(wǎng)絡節(jié)點，需要有IEEE 802.15.4標準的PHY和MAC層，這兩層組成了控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)募軜?，ZigBee層架構如圖1所示。

圖1 ZigBee層架構

ZigBee在底層具有OSI模型開始的兩層架構，物理層（PHY）定義了無線射頻特征，支持2種不同的信號：2450MHz和868／915MHz。本文使用的頻段在2.4 GHz ISM。IEEE 802.15.4標準允許在這個全球頻段內(nèi)使用250kbps的數(shù)據(jù)速率，還可以提供16個不同的信道。而介質訪問控制層（MAC）負責相鄰設備間的單跳數(shù)據(jù)通信，它與網(wǎng)絡層連接，經(jīng)過相互協(xié)調和數(shù)據(jù)傳送來工作，也建立設備間的單跳數(shù)據(jù)通信的協(xié)調、關聯(lián)和安全。網(wǎng)絡層（NWK）支持的網(wǎng)絡拓撲有星型、樹型和網(wǎng)格型。應用層則包括APS子層、ZDO和管理平臺以及應用對象架構。由ZigBee架構可知它們的相互關聯(lián)：安全服務提供層（SSP）保護了應用層、網(wǎng)絡層（NWK）和介質訪問控制層（MAC），由此建立起了安全機制；而安全服務提供層（SSP）則是通過ZD0和管理平臺進行初始化和配置的，要求實現(xiàn)高級加密標準。

1.2 無線網(wǎng)絡結構

ZigBee網(wǎng)絡由一個中心協(xié)調器（Coordinator）和多個路由器（Router）組成。路由器在網(wǎng)絡中為全功能節(jié)點（Full Function Device），和選配的終端節(jié)點（End Device）一起組成了ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結構如圖2所示。

圖2 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)拓撲結構

圖2的ZigBee網(wǎng)絡中，路由器既能收發(fā)數(shù)據(jù)，也能充當路由器，轉發(fā)數(shù)據(jù)。實際上，中心協(xié)調器本身和路由器沒有區(qū)別。而在一個網(wǎng)絡里，必須把某個路由器作為主節(jié)點，并設置整個網(wǎng)絡所共用的PAN ID，例如所有路由器的出廠PAN ID都設為PAN ID＝0x199B。在組網(wǎng)時，需要把其中一個路由器作為主節(jié)點，設置除0x199B的0x0001～0xFF00中的任意的PAN ID。在這個網(wǎng)絡里，有唯一的PAN ID，任意想要加入網(wǎng)絡的節(jié)點，需要設置為相同的PAN ID才可以加入。該網(wǎng)絡中的任意兩個節(jié)點都可以進行通信，即使其他節(jié)點都斷電了，當然也有可能中心協(xié)調器也斷電，這兩個節(jié)點間還是可以進行通信的。

2 節(jié)點的構成

2.1 FPGA具體配置

本文采用的FPGA主芯片是Altera公司的EP1C6Q240C8［10］，它有240個引腳、6 030個 LE以及26個M4K結構的片上RAM（共計239 616位），而且含有2個高性能PLL以及多達185個用戶自定義的I／O口。由于該器件是FPGA與CC2530的協(xié)調操作，所以FPGA需要根據(jù)CC2530的輸入／輸出進行配置，而CC2530是既作為MCU，又作為數(shù)據(jù)傳輸端的芯片。FPGA內(nèi)部結構如圖3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部結構

EP1C6Q240C8根據(jù)CC2530發(fā)送來的控制信號，根據(jù)時鐘單元對CC2530接收到的數(shù)據(jù)進行協(xié)議的檢測。若檢測正確，便發(fā)送到數(shù)據(jù)控制邏輯單元，再根據(jù)地址譯碼存入數(shù)據(jù)存儲單元。在需要輸出時，也是通過CC2530的信號發(fā)送來控制輸出。在FPGA中，最重要的便是數(shù)據(jù)控制邏輯單元，其中包含了控制比較和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

2.2 CC2530內(nèi)部設置

MCU與無線傳輸接收模塊使用TI公司的CC2530，具體選用了CC2530F256［11］。它具有256KB閃存塊，VDD為2～3.6V，fc為2 394～2 507MHz。使用C語言對CC2530進行編程，主要是對RF收發(fā)器的配置，而對于該器件，需要在控制RF收發(fā)器的同時，對FPGA進行控制，部分程序如下：

以上程序主要是控制3種模式的切換：數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收和FPGA控制。除此之外，還需要設置3種模式的函數(shù)，特別是對FPGA的多種控制，需要進行函數(shù)的嵌套。波特率的設置也要根據(jù)需要而確定。另外若作為中心協(xié)調器，還需要配置PAN ID等等。

3 連接及狀態(tài)

3.1 模塊連接

使用CC2530最小系統(tǒng)板，其中使用RS232對其進行編程配置和數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在CC2530上，RF＿N和RF＿P引腳作為無線的發(fā)送接收。在對芯片編程時，需要先用9針串口線把最小系統(tǒng)板的串口跟PC的串口相連，然后使用Keil軟件把程序燒錄到芯片中。在程序燒入后，拔掉PC上的插線，接到FPGA開發(fā)板的串口上。對于最小系統(tǒng)板，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收需要經(jīng)過SP3223E串口的轉接，由于正常的9針串口都是使用2、3引腳進行傳輸，所以習慣地把CC2530的P0.2、P0.3口接到SP3223E上，然后把CC2530的 GPIO口上編號為P0.0、P0.1、P0.4的引腳連接到FPGA上編號為A0、A1、A4的3個引腳上，這樣便完成了模塊的互連。

3.2 運行狀態(tài)

由于CC2530作為兩個功能的使用對于狀態(tài)的控制需要特別安排，以免出現(xiàn)錯誤。配置EP1C6Q240C8和CC2530F256后得到狀態(tài)轉換方式，狀態(tài)轉換圖如圖4所示。

圖4 狀態(tài)轉換圖

CC2530在接通電源后便處于待機狀態(tài)，在由按鍵信號觸發(fā)后，便開始轉入FPGA控制狀態(tài)，實際程序中是開始運行FPGA控制函數(shù)，然后發(fā)送控制信號給FPGA。之后，CC2530便又返回待機狀態(tài)，等待無線信號的接收，等到接收后便發(fā)送給FPGA。此時FPGA經(jīng)過收到需要接收的控制信號判斷后，對CC2530發(fā)送過來的信號進行存儲。經(jīng)過存儲之后，繼續(xù)等待FPGA的控制信號。若CC2530收到了需要發(fā)送的控制信號，F(xiàn)PGA便進入了發(fā)送等待的狀態(tài)，直到CC2530開始進行接收或是再次進入等待狀態(tài)后，再讀取，然后發(fā)送給CC2530。

4 實驗結果

設置多節(jié)點后，使用串口工具連接CC2530，使用Sea－Solve軟件進行無線網(wǎng)絡的測試，得到實時測試圖Sea－Solve信號頻譜測試圖如圖5所示。

圖5 SeaSolve信號頻譜測試圖

信號在2.4GHz左右增益達到了36dBm，而其他頻率在80dBm左右，這樣可以看出，ZigBee信號能在2.4 GHz接收到敏感信號。SeaSolve頻譜峰值圖如圖6所示。

根據(jù)頻譜峰值圖，其在各頻率的峰值和原頻譜測試圖區(qū)別不大，信號在2.4GHz左右接近35dBm，由圖可以看出，在固定頻率上的信號的波動比較小，抗干擾性較好。

圖6 SeaSolve頻譜峰值圖

在組網(wǎng)之后，使用串口工具進行測試，得到測試圖如圖7所示。

圖7 串口工具測試圖

根據(jù)ZigBee協(xié)議，0FDH為數(shù)據(jù)傳輸指令，第2個16進制數(shù)為數(shù)據(jù)長度，第3～4個16進制數(shù)為目標地址。若是數(shù)據(jù)接收，則后面會加入原地址數(shù)據(jù)。由圖中可知，本機發(fā)送的地址為2001H，另一端為2000H。

結 語

本文設計了一種基于ZigBee協(xié)議的無線網(wǎng)絡節(jié)點，節(jié)點的設計對于整個無線傳感器網(wǎng)絡至關重要，其穩(wěn)定性和可靠性關系著測試任務的成?。?2］?，F(xiàn)在很多工業(yè)的設計都把CC2530單獨作為一個ZigBee模塊，這是由于TI公司在制作CC2530芯片時，已經(jīng)預配置了ZigBee協(xié)議。在使用ZigBee模塊時，只用其封裝后的RS232接口，不需要了解內(nèi)部便可使用，而實際上CC2530作為一種MCU，其內(nèi)核是8051，它除了無線功能外也具有單片機所具備的功能。使用CC2530與FPGA的搭配，不僅使得CC2530更大限度地被利用，而且彌補了FPGA需要再外接MCU控制的缺陷，也不需要再使用另外的單片機來接以CC2530作為核心的ZigBee模塊。在這個設計中，在芯片相接時需要進行頻率的搭配，電平的轉換等。因此，如果選用合適的芯片進行搭配，會使其更加快速和方便。

［1］趙華，殷奎喜，邵建華.基于無線傳感網(wǎng)的室內(nèi)安全環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)［J］.微計算機信息，2010，26（1）：21－34.

［2］王焱，符江.基于FPGA的無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調器設計［J］.微計算機信息，2010（26）：25－39.

［3］Ruairí，Ronan Mac，Keane，et al.A Wireless Sensor Network Application Requirements Taxonomy ［C］／／Sensor Technologies and Applications，Cap Esterel，2008：209－216.

［4］Culler D，Estrin D，Srivastava M.Guest Editors'Introduction：Overview of Sensor Networks［J］.Computer，2004，37（8）：41－49.

［5］Luo R C，Tu L C，Chen O.Auto－Deployment of Mobile Nodes in Wireless Sensor Networks Using Grid Method［C］／／IEEE International Conference on Industrial Technology，Hong Kong，2005：359－360.

［6］Akyildiz Ian F，Kasimoglu Ismail H.Wireless Sensor and Actor Networks：Research Challenges［J］.Ad Hoc Networks，2004，2（4）：351－367.

［7］朱斌，唐勇，譚勇，等.基于ZigBee的工控網(wǎng)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)設計［J］.化工自動化及儀表，2010，37（4）：81－85.

［8］Sinha A，Chandrakasan A.Energy Aware Software［C］／／Proc.VLSI Design 2000，Calcutta，India：2000.

［9］Sinha A，Chandrakasan A.An Dynamic Power Management in Wireless Sensor Networks［J］.IEEE Design ＆ TEX of Computers，2001，18（2）：62－74.

［10］Altera Corporation.Cyclone Device Handbook［EB／OL］.［2012－02－21］.http：／／www.altera.com.

［11］TI.CC253XUser's Guide［EB／OL］.（2010－06－25）［2012－02－21 ］. http：／／focus. ti. com／docs／prod／folders／print／cc2530.html.

［12］陳凱，張丕狀，韓焱.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的模塊化設計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，27（6）：94－96.