以CC2530为基础的ZigBee通信网络的设计浅析

2018-12-23王铮南京邮电大学

数码世界 2018年1期

王铮南京邮电大学

为能切实满足人们日渐强烈的智能化生活需求、要求，在计算机技术、微电子技术日益发展的大背景下，无线传感网络呈现出迅猛发展势头，其在多领域的广泛应用，已显现出强烈的生命力与影响力。Zigbee实为一种介于蓝牙与无线标记技术间，有着丰富技术支撑的技术提案，具有低功耗、低速率、短距离的技术特点。当前，世界各知名企业均积极研发与推出了能够实现ZigBee物理层功能的芯片，其中，最具代表性的便是EM250（Ember）、JN5139（Jennic）等。CC2530为一款片上系统，能兼容IEEE802.15.4，集成了8051内核，能较简便、快速的构建无线通信网络。

1 ZigBee协议栈体系结构分析

ZigBee协议栈为层结构，主要由物理层（PHY）、媒介访问控制层（MAC）、网络层（NWK）与应用层（APL）构成，其中，ZigBee联盟对应用层、网络层架构进行了定义，而IEEE802.15.4标准则对媒介访问控制层与物理层进行了定义。各层均能为上层提供诸多能切实满足其需要的服务，对于数据实体而言，则能为数据传输提供服务，管理实体则提供除上述外的其它服务。全部服务实体通过利用服务接入点（SAP），能够为其上层提供一个实时接入插口，各SAP对一定数量的服务原语均支持，因而能够获取所需功能。基于ZigBee协议架构中，用户仅需组建应用程序框架便可，从开发者角度来考量，多注重的是应用层构架。

针对ZigBee应用层而言，其包含三部分内容，分别为用户定义的应用对象、ZigBee设备对象（ZDO）与应用支持子层APS。APS多用作设备绑定表的维护以及为绑定设备之间提供消息传输，在ZigBee架构中，ZDO实为一个相对特殊的对象，多用作构建安全管理及定义设备类型等。

在ZibBee网络架构中，设备有两类划分，其一为简化功能设备（RFD），其二为完整功能设备（FFD）。针对FFD而言，可将其当作路由器或协调器，其能够工作于各种拓扑结构中，另外，还能与其它的RFD、FFD进行实时通信。而对于RFD来讲，仅能被当作终端网络节点，而且通信对象只能是统一网络中的FFD。RFD与FFD有着相同的硬件结构，但网络层结构存在不同。

2 硬件设计

在本次网络设计中，无论是终端器还是路由器、协调器，均采用的是相同的硬件模块结构。在实际模块设计过程中，用PL2303HX芯片，把USB虚拟成串口。所以，利用USB接口便能够比较方便的实现PC与模块间的实时通信。另外，在具体的模块设计中，PCB选用双层板，实际设计中，两层接地层会沿着铜皮走线方向而形成一个较大的电位差，而且还有这比较快的高频电流变化速度，若此时的电流无法及时经回路向地面导入，那么局部出现的电位过高情况，会造成信号判断出现错误，所以，在板子上，需在两层地面层，制作回路导通孔，最大程度减少阻抗，确保地面始终维持等电位。

3 软件设计

本次设计运用的是IAR7.60开发环境，基于Z-STACK-2.4.0-1.4.0协议栈，完成相关应用层程序的编写。系统为一个星型网络，由6个节点组成，一个协调器符合建立网络，2个终端器与3个路由器组建网络，由CC2530内置的温度传感器完成温度值的采集，并将采集所得数据实时传送给协调器。对于协调器而言，其所选用的是自启动模式，实际就是在预编译选项中，将HOLD_AUTO_START去除。所以，基于ZDO初始化函数，从中完成网络初始化，如果完成协调器网络的构建，会触发ZDO_STATE_CHANGE事件，然后在串口调试软件上，会显示调用函数的网络建立状态。系统以轮询的方式检测串口，如果串口有数据写入，那么经回调函数，向任务传递串口事件，然后在应用层内，定义My App_Call Back（）调用数据，实时发送函数，此时的数据就是控制命令。其中，对于发送地址模式而言，其有3种模式，即组播、广播与单播，将3种模式地址进行分配，将其当作数据发送的目标地址。

终端器与路由器同样可选用自启动模式。于网络初始化阶段，通过NLME_Network Discovery Request（）函数的调用，来发现网络，然后网络接入成功后，触发任务的ZDO_STATE_CHANGE事件，向协调器发送网络地址。如果接收到控制命令数据，则此时的调用数据采集函数便会对温度值进行采集，并实时发送给协调器，如果发送失败，在延迟1s后，会再次发送。