基于CC2430的ZigBee无线传感器网络设计与实现

通过对以 上 无 线 传 输 技 术 的 比 较，可 以 看 出： ＺｉｇＢｅｅ技术适合用于 几 点 数 密 集、对 能 量 要 求 低 的 网络；可 以 在 其 有 效 物 理 范 围 １００ ｍ 内 实 现 通 信， 目前一 些 产 品 的 加 强 型，可 以 将 有 效 范 围 扩 大 至 １ｋｍ以上；工 作 射 频 ２．４ＧＨｚ的 工 业 频 段，免 除 申 请的麻 烦；２．４ ＧＨｚ时 传 输 速 率 为 ２５０ Ｋｂ／ｓ，对 于 工 业 中 传 输 量 低 的 场 合 ，满 足 其 应 用 要 求 。
ＺｉｇＢｅｅ定义了三种设 备：协 调 器、路 由 器、终 端 设备。规定了 一 个 ＺｉｇＢｅｅ网 络 中 只 能 有 一 个 协 调 器，若干路由器 和 终 端 设 备。 协 调 器 的 主 要 功 能 是 启动网络的 建 立，包 括 选 择 一 个 信 道，确 定 惟 一 的 ＰＡＮ 地址并广 播 建 立 网 络 信 息。 路 由 器 主 要 功 能 是在多跳网络中作为中继节点协助数据向上一级路 由 器 传 递 ，给 子 节 点 分 配 地 址 ，终 端 设 备 主 要 功 能 是
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３０；ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＺｉｇＢｅｅ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｓｔａｃｋ
０ 引 言
ＺｉｇＢｅｅ这个名字来源 于 蜂 群 的 通 信 方 式，蜜 蜂 之间通过跳 Ｚｉｇｚａｇ形状的舞 蹈 来 交 互 消 息，以 便 共 享食 物 源 的 方 向、位 置 和 距 离 等 信 息。ＺｉｇＢｅｅ 是 一 种 新 兴 的 短 距 离 、低 速 率 无 线 网 络 技 术 ，主 要 用 于 近距离无线连接。 它 有 自 己 的 无 线 电 标 准，在 数 千 个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感 器只需要很少的能 量，以 接 力 的 方 式 通 过 无 线 电 波 将信息从一个传感 器 传 到 另 一 个 传 感 器，因 此 有 着 非常高的通信效率。
１．２．２ 蓝 牙 蓝牙是以ＩＥＥＥ ８０２．１５．１ 为 基 础，工 作 频 率 为
２．４ＧＨｚ，传 输 距 离 较 短，有 效 范 围 一 般 在 １０ ｍ 之 ２０１１／３ 物联网 ４１
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内，信道带宽 为 １ ＭＨｚ，异 步 非 对 称 连 接 最 高 数 据 速率为７２３．２Ｋｂ／ｓ。系统的抗干扰能力 不 强，成 本 和集成复杂性高。
关 键 词 ：ＺｉｇＢｅｅ；ＣＣ２４３０；无 线 传 感 器 网 络 ；ＺｉｇＢｅｅ协 议 栈 中 图 分 类 号 ：ＴＰ３９３－３４ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：２０９５－１３０２（２０１１）０１－００４１－０３
Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＺｉｇＢｅｅ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｓｅｎｓｏｒ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＣ２４３０
２．１ 硬件部分（主控 ＣＣ２４３０片上系统（ＳｏＣ）） 早 期 的 ＺｉｇＢｅｅ 硬 件 都 是 微 控 制 器 （ＭＣＵ）和
ＩＥＥＥ ８０２．１５．４射频芯片分离的。随着计算机硬 件 技术的不断 发 展，出 现 了 系 统 级 芯 片 （ＳｏＣ）和 系 统 级封装（ＳｉＰ），即把多个硬件模块集成到一个单 芯片 中去。目前，ＺｉｇＢｅｅ 硬 件 也 发 展 到 了 这 个 阶 段，在 一个芯片内部集成了 ＭＣＵ 和射频芯片。 这样不但 降低了 ＺｉｇＢｅｅ开发者对硬件射频电路的要求，加 速 了 ＺｉｇＢｅｅ系 统 的 开 发，同 时 也 对 ＺｉｇＢｅｅ系 统 的 稳 定 性 、可 靠 性 、芯 片 体 积 等 方 面 带 来 了 积 极 影 响 。
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制；执行设 备 间 的 路 由 发 现 和 路 由 维 护；完 成 一 跳 （ｏｎｅ－ｈｏｐ）范围内 的 邻 居 设 备 的 发 现 和 相 关 信 息 的 存 储 ；创 建 新 网 络 ；为 新 入 网 设 备 分 配 网 络 地 址 等 。
图 １ ＺｉｇＢｅｅ协 议 栈 结 构
２ ＺｉｇＢｅｅ无 线 传 感 器 网 络 设 计
１．２ ＺｉｇＢｅｅ的 无 线 传 输 优 势 １．２．１ Ｗｉ－Ｆｉ
Ｗｉ－Ｆｉ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）是 目 前 ＷＬＡＮ 的 主 要 技术标准，可实现几 Ｍｂｐｓ到几十 Ｍｂｐｓ的无线局域 网接入。Ｗｉ－Ｆｉ依赖 ＴＣＰ／ＩＰ 作 为 网 络 层，规 定 了 协 议的物理层和媒体接入控制层，便携性良好但却耗能 高，大多 Ｗｉ－Ｆｉ装置都需要较高的电能储备和常规充 电，限制了其在工业场合的推广和应用。
ＺｉｇＢｅｅ可由多达 ６５ ０００ 个 无 线 数 传 模 块 组 成 的 一 个 无 线 数 传 网 络 平 台 ，在 整 个 网 络 范 围 内 ，每 个 ＺｉｇＢｅｅ网络数传模块 之 间 可 以 相 互 通 信，每 个 网 络 节点 间 的 距 离 可 以 从 标 准 的 ７５ｍ 到 几 百 米 甚 至 几 千 米 。ＺｉｇＢｅｅ协 议 栈 结 构 如 图 １ 所 示 。
ＺｉｇＢｅｅ技术具有统一的技术标 准，主 要 由ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 工 作 组 与 ＺｉｇＢｅｅ 联 盟 分 别 制 定。ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 工 作 组 制 定 了 这 项 技 术 的 核 心，物 理 层 （ＰＨＹ）和 媒 体 接 入 控 制 （ＭＡＣ）层；ＺｉｇＢｅｅ 联 盟 在 ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 的 基 础 上 定 义 了 网 络 层 （ＮＷＫ）和 应 用层（ＡＰＬ）和安全服务规范。
ＣＣ２４３０是 ＴＩ的 第 二 代 ＺｉｇＢｅｅ 平 台 和 真 正 的 ＳｏＣ 解 决 方 案 。 它 兼 容ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 标 准 ，在 单 个 芯片上整合了 ＺｉｇＢｅｅ射频（ＲＦ）前端、内存和微控 制 器。它使用１个８位 ＭＣＵ（８０５１），具有１２８ＫＢ可编 程闪 存 和 ８ ＫＢ ＲＡＭ，还 包 含 模 拟 数 字 转 换 器 （ＡＤＣ）、几 个 定 时 器（Ｔｉｍｅｒ）、ＡＥＳｌ２８ 协 同 处 理 器 、看 门 狗 定 时 器（Ｗａｔｃｈｄｏｇ ｔｉｍｅｒ）、３２ｋＨｚ晶 振 的 休 眠 模 式 定 时 器 、上 电 复 位 电 路 （Ｐｏｗｅｒ ＯｎＲｅｓｅｔ）、掉 电 检 测 电路（Ｂｒｏｗｎ ｏｕｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ），以及２１个可编程Ｉ／Ｏ 引 脚。ＣＣ２４３０芯片采用 ０．１８μｍ ＣＭＯＳ工艺生产；在 接收和 发 射 模 式 下，电 流 损 耗 分 别 低 于 ２７ ｍＡ 和 ２５ ｍＡ。ＣＣ２４３０ 的 休 眠 模 式 和 转 换 到 主 动 模 式 的 超 短时问的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的 应用，传感器网络节点框架框图如图２所示。 ２．２ 软 件 部 分 （ＺｉｇＢｅｅ组 网 设 计 ）
（２）ＺｉｇＢｅｅ协 议 免 专 利 费 ，简 单 协 议 、低 数 据 传 输速率和小的存储空间大大降低了 ＺｉｇＢｅｅ的成本。
收 稿 日 期 ：２０１０－１２－１８
另 外 ，ＺｉｇＢｅｅ的 工 作 频 段 均 为 免 执 照 频 段 。 （３）接入网络快，时延短，设备搜索时延典型 值
为３０ｍｓ，设 备 接 入 时 延 为 １５ ｍｓ，休 眠 启 动 时 延 为 １５ｍｓ，接 入 网 络 和 传 送 数 据 时 延 短，适 合 监 控 应用。
１．２．３ 红 外 线 数 据 通 信 ＩｒＤＡ 是一种利 用 红 外 线 进 行 点 对 点 通 信 的 技
术，ＩｒＤＡ 标 准 的 无 线 设 备 传 输 速 率 已 发 展 到 ４ Ｍｂ／ｓ，１６ Ｍｂ／ｓ。目 前，其 软 硬 件 技 术 成 熟，已 经 广泛应用在小型移动设备上（如 ＰＤＡ、手机）。但问 题在于ＩｒＤＡ 只 能 在 ２ 台 设 备 之 间 连 接，连 接 设 备 必须对准且中间不 能 有 障 碍 物 遮 挡，一 般 不 应 用 于 工业网络。
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采 集 数 据 并 向 上 级 路 由 器 发 送。 协 调 器 通 过 ＮＩＭＥ－ＮＥＴＷＯＲＫ．ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ 原 语 来启动一个新网络。
（４）ＺｉｇＢｅｅ加 密 算 法 采 用 ＡＥＳ－１２８，同 时 提 供 了数据完整性检查 和 鉴 权 功 能，可 以 灵 活 确 定 各 个 应用的安全属性。
（５）ＺｉｇＢｅｅ网 络 的 形 成 和 自 动 修 复 无 需 人 工 干 预，设备节点可以通 过 信 息 交 互 知 道 其 他 设 备 节 点 的 存 在 ，确 定 相 互 之 间 的 关 系 。
１．３ ＺｉｇＢｅｅ网 络 协 议 栈 随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附
近几米范围内通信的要求，因此就出现了个人区域网 络和无 线 个 人 区 域 网 络 的 概 念。ＩＥＥＥ ８０２．１５．４是 ＩＥＥＥ 针 对低 速 率 无 线 个 人 区 域 （ＬＲ－ＷＰＡＮ）指 定 的 无 线 通 信 标 准 ，该 标 准 把 低 能 量 消 耗 、低 速 率 传 输 、低 成本作为重点目标。在ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ 中定义了１３ 个物理层服务原语和３５个 ＭＡＣ 层服务原语。
１ ＺｉｇＢｅｅ无 线 传 感 器 网 络 系 统 结 构
１．１ ＺｉｇＢｅｅ的 技 术 特 点 ＺｉｇＢｅｅ的 技 术 特 点 如 下 ： （１）设 备 工 作 周 期 很 短 并 且 ＺｉｇＢｅｅ采 用 了 多
种节能模式，其功耗极低，２ 节五号 电 池 可 以 支 持 长 达６个月到２年的使用时间。
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基于 ＣＣ２４３０的 ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络设计与实现
郭 栋１，秦 明 芝１，王 伟 敏２
（１．同济大学 中德学院，上海 ２０００９２；２．上海汽车集团股份有限公司，上海 ２０１８０４）
摘 要：介绍了 ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的基本组成、协议栈的结构与原理，并 将 ＺｉｇＢｅｅ与 蓝 牙、Ｗｉ－Ｆｉ等 无 线 传 输协议进行了比较。最后以 ＣＣ２３４０片上系统为例实现了传感器终端设备的 ＺｉｇＢｅｅ无线组网功能。