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基于cc2530的zigbee无线网络的研究与设计
廖建明 何学勤 陆国明 占汜宇
中国电子科技大学计算机科学与工程学院
E-MALL：hexql27@sina.com，liaojm@uestc.edu.cn，lugm@uestc.edu.cn，zhansy@uestc.edu.cn
摘要：ZigBee因其低成本，低功耗而广泛应用于许多领域。本文讨论了ZigBee协议的网络拓扑，设备类型和协议架构，并介绍了CC2530芯片。然后我们使用Z-Stack协议栈进行联网， 并根据之前的内容进行了一些测试，例如网络通信距离和丢包率测试。测试结果表明，使用CC2530的ZigBee网络具有更长的通信距离和更好的通信质量。
关键词：ZigBee;CC2530;无线网络测试
1 介绍
随着无线通信技术的快速发展，通信技术的功能，可靠性和灵活性越来越受到工业界和研究人员的关注。ZigBee的特点是低功耗，低成本，可靠的数据传输和灵活的网络，是最有前途的技术，并广泛应用于许多领域.Tl 的新CC2530是为IEEE 802.15。4量身定制的真正的系统级芯片解决方案ZigBee，RF4CE和Smart Energy应用。
因此，设计和实现基于CC2530的大规模ZigBee网络具有重要意义。
2 ZigBee无线通信技术
ZigBee无线通信技术是一种基于IEEE802.15.4标准的技术。其良好的干扰性能可以帮助它与Wi-Fi，蓝牙，无线USB，家用无绳电话和2.4GHz频段的微波炉可靠地共存。
2.1 ZigBee网络拓扑和设备类型
ZigBee网络有三种典型的拓扑结构支持：星形，树形和网格[l]。我们可以根据项目要求选择类型。
ZigBee网络中有三种设备类型：协调器，路由器和终端设备[2]。协调员是整个网络的中心，负责网络建设，管理和维护。它还可以控制监控区域。路由器负责允许其他设备加入网络，多跳路由，数据包转发。终端设备可以加入和离开网络，发送和接收数据，它可以选择睡眠。
2.2 ZigBee协议的体系结构
ZigBee协议栈由四层组成[3]，其结构如图1所示。 物理层和媒体访问控制层由IEEE802.15.4定义，网络层 和应用层由ZigBee联盟定义。
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应用层 |
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网络层 |
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MAC层 |
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物理层 |
图1 ZigBee协议栈的结构
如图1所示，物理层负责物理信道数据的传输和管理。
MAC层包含的主要功能如下：为协调器生成和发送网络信标，在MAC实体之间提供可靠的通信链路，维护设备安全等。
网络层负责建立网络连接的拓扑和维护，以及设备的路由发现和路由转发。
应用层由应用支持子层（APS），ZigBee设备配置和用户应用层组成。APS主要提供ZigBee端点接口。
ZigBee设备配置层提供标准的ZigBee配置服务。用户应用程序是根据用户的需求开发的。
3 CC2530片上系统
TI推出的CC2530是2.4GHz频段芯片上的第二代支持IEEE 802.15.4 / ZigBee协议系统。其内部集成了高性能射频收发器，工业标准增强型8051 MCU内核，256KB Flash ROM和8KB RAM [4]。
主要特性如下：两个USART，8位和16位定时器，看门狗定时器，8个输入可配置12 位ADC ， 21 个GPIO ，AES128协处理器，硬件支持CSMA / CA，数字化接收信号强度指示器，链路质量指示和强大的DMA功能，电池 监控和温度感应。它支持五种工作模式，可以更好地满 足低功耗系统的需求。接收和发送模式下的电流消耗为24mA和29mA。由于其硬件设计相对简单，封装小，功耗低，因此已广泛应用于无线传感器网络[4][5]。
CC2530可用作ZigBee协调器，路由器和终端设备。与TI / Chipcon的ZigBee协议栈相结合后，CC2530被认为是市场上最具竞争力的ZigBee解决方案。本文研究的ZigBee网络正在使用Tl的Z-Stack协议栈。
4 ZigBee网络信息
4.1 Z-Stack协议栈分析
Z-Stack是TI支持的ZigBee协议栈。它从main函数开始执行。主要功能实现系统初始化，然后开始运行旋转查询操作系统OSAL。
OSAL定义了两个关键数组，*tasksEvents 和*tasksArr。前者存储从0到taskCnt的值，这是在此循环 中需要允许的任务的存在。运行所需的任务值不为零,否则为0。任务编号较小，优先级较高。TasksArr存储每个任务的入口地址对应。只记录在tasksEvents中，可 以在此循环中调用该任务。OSAL以不断查询和运行任务的方式工作。
4.2 ZigBee网络流程
ZigBee网络由协调器初始建立,其他节点通过applying加入网络，网络流程如图2所示[6]。当第一FFD设备被激活时，它首先扫描物理层中有效默认信道的能量,以便检测可能的干扰并通过信道能量值对信道进行排序。然后，它执行主动扫描过程以选择最佳信道作为当前信道。第一个成功的网络节点是协调器。
图2 ZigBee组网流程图
在建立网络之后，所有其他节点被视为子节点，其发送请求以在其范围内找到通信网络。如果找到网络，则节点选择父节点以请求加入网络并等待父节点响应。在父节点收到它之后，它将判断是否允许它。如果允许加入，则父节点将响应通知子节点的请求。子节点收到请求响应后,父节点将为其分配一个网络地址。网络地址（也称为短地址）是网络中的唯一标识符。现在节点已成功加入网络。作为协调器的第一FFD活动节点将广播信标帧，同时接收网络请求对于新节点。
IAR7.51用作开发环境。基于协议栈Z-Stack-CC2530- 2.2.0-1.3.0，我们构建了ZigBee网络，并实现了多个星型网络节点。协调器节点可以通过USB连接到PC，并通过PC的串行端口软件显示接收的数据。其他节点被设计为路由r，其可以周期性地将数据发送到协调器。
5 测试和分析
测试工作分为两部分，包括室外传输距离测试和实验室环境中的丢包率测试。
5.1 距离测试
选择测试环境外的更多开放空间，ZigBee节点分布在广场周围。CC2530模块成功下载通信测试程序后，开始传输距离测试。CC2530输出功率设置为4.5dBm。
为了便于观察节点是否加入网络并传输数据，我们让终端设备定期向协调器发送数据包，协调器连接到平板电脑，显示接收数据，成功接收数据时，模块上的LED将闪烁一次，表示数据传输成功。通过这种方式，我们可以获得ZigBee网络中点对点通信的距离。距离两个节点之间的通信测试数据如表1所示
表1 传输距离的测试结果
网络距离是节点加入网络的距离。结果表明，ZigBee网络距离小于通信距离。这是因为Z-Stack节点 需要加入网络的信号强度必须大于-85dbm。一旦成功加入网络，在进一步的数据通信中不再进行这样的判断。模块全部安装天线，实际通信距离可超过100米。
5.2 网络丢包率测试
为了测试网络中通信节点的丢包，我们使用两个节点进行实验。节点1通过USB端口连接到PC，接收的数据可以通过PC上的串口助手显示。节点2使用电池供电的机箱。节点2周期性地向节点1发送分组。传输周期设置为500ms。实验在具有复杂电磁环境的实验室中进行。具体测量的丢包率如表2所示。表2数据格式为：发送的总包数/丢包率。
表2 丢包率的测试结果
从表2可以看出，ZigBee网络丢包率非常低，即使两个节点被房间三面墙隔开，平均去包率也低于3%。因此使用CC2530的ZigBee网络具有良好的通信质量。
6 结论
本文讨论了具有三种网络拓扑，三种设备类型及其体系结构的ZigBee协议。它还介绍了片上系统CC2530的 基本情况及其主要特性，这是目前市场上领先的ZigBeeSoC解决方案。基于Z-Stack协议栈，我们基于CC2530设置无线网络。实验表明该网络具有良好的通信性能。我 们还通过实验测试了网络通信距离和丢包率。结果表明， 使用CC2530的ZigBee网络具有更长的通信距离和更好的通信质量。
7 致谢
该研究得到了中国国家自然科学基金（No. 61202444） 的支持。
参考文献
[1] Minghui Wu，Qing Xie，”The Design of Wireless Medical Monitoring Network Based on ZigBee”,2nd International Conference on Network Computing and Information Security, Shanghai,PEOPLES R CHINA,pp.705-713,Dec.2012.
[2]Texas Instrument.Z-Stack Developerrsquo;s Guide.Document Number:SWRA176.
[3]Francesca Cuomo,Anna Abbagnale and Emanuele Cipollone,”Cross-layer network formation for energy-efficient IEEE 802.15.4/ZigBee Wireless Sensor Networks”,Ad Hoc Networks,Vol 11,No 2,pp.672-686,Mar.2013.
[4]Texas Instrument.CC2530 Datasheet.2009.
[5]Xin Li,”Design of ZigBee Network Node Based on CC2530”,PLCamp;FA,pp.97-99,Mar.2011.
[6]Bingwu Ning,”Research and implementation of ZigBee network Networking”,Masterrsquo;s Thesis,Dalian University of Technology,Dec.2007.
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资料编号：[19907]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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