基于CC2530的Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

肖敏敏

摘 要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)不僅能夠?yàn)橹悄軐?shí)驗(yàn)室的通信提供技術(shù)支持，還能夠通過Zigbee技術(shù)，使智能實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各傳感器、探測器設(shè)備的管控與監(jiān)測，從而大大提高了實(shí)驗(yàn)室智能管理系統(tǒng)的功能。本設(shè)計(jì)主要為基于CC2530的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的形狀為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使用了CC2530芯片、CC2591等硬件，然后在構(gòu)建起硬件的基礎(chǔ)之上，使用串口測試工具對所建立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了測試。

關(guān)鍵詞：CC2530;無線傳感網(wǎng)絡(luò);Zigbee技術(shù);傳感器;Zigbee協(xié)調(diào)器

1 無線通信技術(shù)的選用

在本研究中的無線傳感網(wǎng)絡(luò)上，在綜合考慮了集中當(dāng)下較為熱門的短距離通信技術(shù)后，認(rèn)為Zigbee技術(shù)是適用于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的最佳選擇。在功耗方面，Zigbee技術(shù)相比較Wi-Fi與IrDA技術(shù)，其功耗較低，所需耗能較少。在功能上，Zigbee技術(shù)能夠連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)量最多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其他幾種技術(shù)的總和。傳輸范圍上，與Wi-Fi技術(shù)相似，能夠覆蓋，1-100米的范圍，實(shí)現(xiàn)1-100米范圍內(nèi)的無線雙向通信。而在最為重要的數(shù)據(jù)傳輸方面，Zigbee技術(shù)能夠支持每秒鐘250K的傳輸速率，這一傳輸速率對于沒有大型數(shù)據(jù)交互的智能實(shí)驗(yàn)室來說是足夠的，因而可以選用Zigbee技術(shù)。

2 硬件方面的設(shè)計(jì)

CC2530芯片的是一種體積較小、但功能強(qiáng)大的處理芯片，能夠兼容Zigbee技術(shù)技術(shù)是其作為本設(shè)計(jì)選擇的主要原因。從網(wǎng)絡(luò)上來看，CC2530芯片集成了眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，不僅有IEEE 802.15.4協(xié)議，還集成了應(yīng)用日漸廣泛的Zigbee協(xié)議。得益于眾多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的繼承，CC2530芯片能夠具備良好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)功能。在本研究中的基于CC2530之上，運(yùn)用Zigbee技術(shù)所組建的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，考慮到智能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各類設(shè)備較多，有時(shí)在開展大型試驗(yàn)時(shí)，需要與其他實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行互動，因而對基于CC2530的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，在發(fā)射頻率上有一定的要求，為了保障無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信功能的正常，需要增強(qiáng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的信號發(fā)射頻率，因此選用了具備擴(kuò)大通信系統(tǒng)信號傳輸距離的CC2591芯片。CC2591射頻芯片的體積很小，可以集成在傳感器節(jié)點(diǎn)之上，且發(fā)射功率較低，僅為4.5分貝毫瓦，符合本設(shè)計(jì)節(jié)能的要求。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 Zigbee協(xié)議棧

從Zigbee技術(shù)的結(jié)構(gòu)上來看，可以分為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層兩個(gè)層次，其中應(yīng)用層側(cè)重于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的管理方面，網(wǎng)絡(luò)層側(cè)重于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)通信方面。其中網(wǎng)絡(luò)層中的MAC層、NWK層等都建立在Zigbee協(xié)議棧之上，需要使用基于Zigbee的協(xié)議棧，因而本設(shè)計(jì)選用了Z-Stack-2.4.0-1.4.0。Z-Stack-2.4.0-1.4.0協(xié)議棧的APP層是無線傳感網(wǎng)絡(luò)各應(yīng)用存放數(shù)據(jù)的場所;HAL層則記錄無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各類硬件信息;MAC層主要是負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中與MAC參數(shù)相關(guān)的文件。

3.2 Zigbee軟件開發(fā)環(huán)境

EW是一款出色的嵌入式開發(fā)工具，所占用的資源較少，適合CC2530芯片的操作，因而從性能上來說是足夠的。從功能上來看，EW熊開發(fā)工具具有強(qiáng)大的兼容性，能夠兼容C語言、C++等常見編程語言，且EW的編輯器功能豐富，能夠隨著編程語言的增多，而富于EW更多的管理功能。

4 ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)

4.1 ZigBee分布式網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

在ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)上，本設(shè)計(jì)主要采用了分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計(jì)中，ZigBee分布式網(wǎng)絡(luò)采用了總-分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即依托智能實(shí)驗(yàn)室的中央處理系統(tǒng)，與ZigBee協(xié)調(diào)器直接連接，ZigBee協(xié)調(diào)器再與路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，路由器節(jié)點(diǎn)再根據(jù)分布位置的不同，與周圍的若干個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)連接。在建立起總分結(jié)構(gòu)以后，ZigBee協(xié)調(diào)器的主要作用在于向智能實(shí)驗(yàn)室的管理系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)、發(fā)送命令。路由器是分級的結(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)管理各個(gè)傳感器，而傳感器則是具體的工作設(shè)備，依托各種型號的傳感器，對智能實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并收集智能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的各項(xiàng)信息，在監(jiān)測到異常事件信息后，便通過路由器節(jié)點(diǎn)，將其傳遞到ZigBee協(xié)調(diào)器。

4.2 ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)

為了能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)工作，主要是處理好ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)工作。首先在ZigBee協(xié)調(diào)器組網(wǎng)上，可使用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，向ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求，以檢測ZigBee協(xié)調(diào)器是否有反應(yīng)，以及判斷接入點(diǎn)的IP位置，確定是哪個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的入網(wǎng)請求。對于ZigBee協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)信道，要選擇合適的信道，具體而言信道要與周邊網(wǎng)絡(luò)的信道來確定，以避免網(wǎng)絡(luò)信道的干擾問題。在路由器節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)上，在啟動路由器以后，路由器會自動連接到ZigBee協(xié)調(diào)器之上，但是這時(shí)的網(wǎng)絡(luò)還沒有連通。在通過ZigBee協(xié)調(diào)器對路由器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授權(quán)以后，本設(shè)計(jì)中有三個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)，則要分別為這三個(gè)路由器節(jié)點(diǎn)分配IP地址、MAC地址、DNS等信息，才能夠使路由器節(jié)點(diǎn)接入到ZigBee協(xié)調(diào)器之中。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由器節(jié)點(diǎn)的連通較為簡單，一般只要傳感器節(jié)點(diǎn)支持ZigBee技術(shù)，便可以與路由器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)直接的連通?？紤]到本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的傳感器節(jié)點(diǎn)較多，因而在傳感器節(jié)點(diǎn)的連通上，要通過組網(wǎng)驗(yàn)證的方式來完成。

5 結(jié)語

在本文的研究中，通過基于CC2530芯片設(shè)計(jì)了使用ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠連接智能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)對各傳感器節(jié)點(diǎn)的控制，大大提高了通信的效率，有助于推動智能實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各項(xiàng)工作的深入開展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宇楠.基于物聯(lián)網(wǎng)的倉庫監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].福州大學(xué)，2016，6.