毕业设计论文基于CC2530的无线组网技术的研究与实现

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1、基于CC2530的无线组网技术的研究与实现摘 要：无线传感器网络是集传感器、无线通信和网络三大技术于一体的信息获取与处理技术，主要用于实现不同环境下各种缓慢参数的检测。最新的发展方向在于减小体积，简化布局以及在低能条件下尽可能延长生命周期。而Zigbee技术拥有网络容量大，架构简单，低功耗，低速率等特点，十分适合用来组建无线传感器网络。本文以CC2530芯片为核心模块，基于Z-STACK协议栈设计了一个可以完成自动组网的系统，通过编写协调器程序实现无线传感器网络的组建，同时路由器能自动完成其父节点功能。同时，对开发软件核心Zigbee协议栈的组成和实现方法进行了介绍。给出了协调器节点的硬件设计

2、原理图和软件流程图以及相应的PCB图。关键词：无线传感器网络；CC2530；Zigbee；无线组网Research & Implementation of Wireless Network Technology Based On CC2530Abstract: Wireless Sensor Networks (WSN) setting sensors with wireless communications and network is a kind of information acquisition and processing technology , mainly used to i

3、mplement the detection of slow parameters under different circumstances. The newest development direction is to reduce the volume, to simplify the layout and to extend the life cycle in the low-energy conditions much as possible. However, Zigbee technology, with large network capacity, simple struct

4、ure, low rate and power consumption , is especially suitable for the formation of the WSN. The paper presents a design of a system which can complete automatic network establishment with using CC2530 as the core module and base on Z-STACK Protocol Stack, through programs the coordinator to achieve t

5、he construction of the WSN, meanwhile, the router can automatically accomplish the parent node function. Simultaneously, the paper introduces the composition and method of the developing software core-Zigbee Protocol Stack. It also shows the coordinator node hardware design schematics and software f

6、low chart and the corresponding PCB map.Key Word: Wireless Sensor Networks; CC2530; Zigbee; wireless network establishment目 录基于CC2530的无线组网技术的研究与实现21 绪论51.1 选题依据和意义51.2 无线传感器网络技术研究背景及意义51.3 无线传感器网络技术简介61.3.1 国内外发展和应用现状61.3.2 未来前景展望72 IEEE 802. 15. 4/Zigbee无线传感器网络通信标准82.1 IEEE 802.15.4通信标准82.1.1 物理层（P

7、HY）82.1.2媒体访问控制层（MAC）规范102.2 Zigbee技术概述132.2.1 网络层（NWK）规范142.2.2 应用层（APL）规范142.2.3 Zigbee协议栈中各层之间的关系152.2.4 Zigbee的网络配置162.2.5 Zigbee协议术语163 CC2530介绍183.1 CC2530的相关特性193.2 CC2530结构分析203.2.1 功能模块介绍213.2.2 引脚描述223.2.3 CPU介绍243.3 CC2530应用244 相关硬件设计244.1 主电路设计244.1.1 外围电路设计244.1.2 电源电路设计254.1.3 串口电路设计25

8、4.2 PCB的设计265 相关软件的设计275.1 Z-Stack体系架构275.1.1 Z-stack软件架构285.2 各个功能节点的设计305.2.1 协调器节点的设计305.2.2 路由器节点的设计315.3 操作流程原理315.3.1 怎样建立网络315.3.2 怎样加入网络335.3.3 怎样离开网络335.4 操作流程与代码345.4.1 启动过程345.4.2 协调器组建网络345.4.3 路由器加入网络345.4.4 协调器启动355.4.5 路由器启动并且自动完成父节点功能365.4.6 数据发送365.4.7 数据接收376 设计总结386.1 设计成品386.2 系统

9、设计总结386.3 未来深入研究方向38致谢39参考文献391 绪论1.1 选题依据和意义现今社会无线取代有线已经是信息通讯领域的一个主流趋势，用便捷快速的方式传递信息是信息工程的一个重要的研究目标。就这样，无线传感器网络技术渐渐走近进了我们的视野。随着它的发展，用于设计无线网络的网络协议逐渐地多元化，无线局域网（WLAN）、蓝牙（BlueTooth）技术、无线保真（WiFi）、超宽带（UWB）以及Zigbee技术等热点技术相继出现，均展现出各自的应用特点和市场潜力。而其中，低速率、低功耗、低成本的ZigBee技术因其功耗低、网络容量大等优点而非常适用于传感器网络，作为无线传感器网络的主要支撑

10、技术获得广泛的关注，作为一种新兴的短距离无线通信协议，在国外已经有了一定的应用。ZigBee协议是由IEEE 802154标准的PHY层和MAC层再加上ZigBee联盟定义的网络层和应用层所组成，其突出的特点是拥有网络支持低成本、低功耗、低速率、短距离的数据传输能力。在日益追求信息通信和交换的快速，简便，低能耗，传输稳定的信息技术发展方向上，研究Zigbee技术在无线传感器网络上的应用十分迫切和有效。并且，对于我们这些实践经验不足、理论知识学习比较浅显的大学生来说，以ZigBee这种通信数据量不大、低数据传输率、低成本、低功耗而且具有安全可靠性的这种无线通信技术为无线传感器网络的组网通信方式的

11、研究对象，既不会太过艰难，也不会流于浅表，最为合适不过。1.2 无线传感器网络技术研究背景及意义 21世纪以来，随着微电子技术的不断进步极大地推动了计算机和通信设备的普及个迅猛发展，PC机、掌上电脑、移动电话、无绳电话等进入了人们日常和工作中，成为了人们生活中不可缺少的一部分。但大多数这些设备和使用终端间的信息传送都是依靠有线网络进行的。各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利，改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大的推动作用。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果。但例如布线麻

12、烦、线路故障难以检查、设备重新布局就要重新布线、不能随意移动等这些有线网络先天带有的缺憾却愈发地突出，渐渐阻碍了有线网络的发展。同时，随着近年来射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度和稳定性都有了飞跃性的提高，体现出了巨大的应用潜力。在追求自由和便捷通信的今天，人们不禁把目光转向了无线通信方式，尤其是一些机动性要求较强的或在人们不方便随时到达现场的条件下使用的设备。因此，一些典型的无线应用产品顺势而生，如：无线智能家居，无线抄表，无线点菜，无线数据采集，无线设备管理和监控，汽车仪表数据的无线读取等等。但随着各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化的快

13、速发展、各种便携式个人通信设备和家用电器设备的增加，人们享受无线信息传输系统带来的便利的同时，又同时针对发展的新的需求而不断探索。而在传感器技术和计算机技术取得突破性进展之后，一种名叫无线传感器网络的通信系统跃然而出，它以其低成本、低功耗、对等通信等三大优势渐渐成为新兴通信技术中的一大热点。现如今，无线传感器网络被认为21世纪最具有影响力的改变世界的10大技术之一。伴随着传感器技术本身不断地在发展、深化和交叉，从原先单一的敏感元件发展到混合集成传感器、智能传感器等，真正朝着无所不在的信息获取技术方向迈进，无线传感器网络技术异军突起，包括在国防安全、工农业领域各种控制、城市管理、生物医疗、环境监

14、测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多领域都体现了重要的科研价值和实用价值，具有十分广阔的应用前景。于是乎，深化研究无线传感网络、为无线传感器网络寻找一种具备成本低廉，节约功耗而有组网能力较强的无线网络协议的需求变得十分迫切，也是当今通信科技发展的主题。 1.3 无线传感器网络技术简介无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是Wireless Sensor Network, 简称WSN。由大量节点组成的面向任务的分布式网络，综合了传感器、嵌入式计算、现代网

15、络及无线通信、分布式信息处理等多领域技术，通过各类微型传感器对信息目标进行实时监测，由嵌入式微处理器对信息进行加工处理，并通过无线通信网络将信息传送至远程用户，然后通过相应的规则进行。在这个定义中，传感器网络实现了数据采集、处理和传输三种功能，而这正对应着现代信息技术的三大基础技术，即传感器技术、计算机技术和通信技术。无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。WSN是由一组传感器节点以自组织的方式构成的有线

16、或无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。硬件上，WSN节点主要由数据采集单元、数据处理单元、无线数据收发单元以及小型电池单元组成，因其尺寸较小，故具有低成本、低功耗、多功能等特点；而从软件上看，借助于节点中内置传感器有效探测所处区域的温度、湿度、光强度、压力等环境参数以及待测对象的电压、电流等物理参数，它可以接收记录并通过无线网络将探测信息传送到数据汇聚中心进行处理、分析和转发。WSN与传统传感器和测控系统相比具有明显的优势。它采用点对点或点对多点的无线连接，大大减少了电缆成本，在传感器节点端即合并了A/D信号转换、数字信号处理和网络通信功

17、能，与此同时，节点还具有自检功能，能够完成后期自我的维护和检测，让系统性能与可靠性明显提升的同时成本却明显地缩减。1.3.1 国内外发展和应用现状国外对无线传感器网络，尤其是Zigbee技术的研究起步较早，研究也较成熟。早在2000年12月IEEE成立了IEEE 802154工作组。这个工作组致力于定义一种供廉价的固定、便携或移动设备使用的低成本、低功耗、低速率的无线连接技术。ZigBee正是这种技术的商业化命名，这个名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式。Zigbee联盟由Chaddrcon、Ember、FreeScale、Honeywll、Motorala、Philaddrs和San

18、sung等公司于2002年8月成立，旨在推动Zigbee技术的发展，如今有上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多IC设计、家电、通讯节点、ADDR服务提供、玩具等厂商。目前该联盟已经拥有150多家会员，并且还有许多厂商已将Zigbee纳入产品中。在标准化方面，IEEE 802154工作组主要负责制定物理层和MAC层的协议，其余协议主要参照和采用现有标准，高层应用、测试和市场推广等方面的工作由ZigBee联盟负责。国际上已经有许多公司提供ZigBee-Stack，例如：Ember、AirBee、Figure8Wireless等，其中以Figure8Wireless(F8W)所设计

19、的Z-Stack最负盛名。而在Chipcon收购了F8W后，Chipcon就成为ZigBee的完全解决方案的提供者。于是，Chipcon CC2420+Z-Stack就成为从事ZigBee开发人员的最佳选择。虽然在现代意义上的无线传感器网络研究及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，我国甚至成为信息领域位居世界前列的少数国家之一。但是，国内对于以Zigbee技术为基础的无线组网技术却起步较晚，国内Zigbee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格，国内市场只要被国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研发的Zigbee产品，只有一些研究性和简单应用文章出现于期刊杂志。到目前为止，国内目前除了成

20、都无线龙科技公司真正将Zigbee技术开发成产品并成功用于几个领域的实际生产问题外，尚未有其他的相关企业和高校拿出了过硬的产品。不过随着这几年无线技术发展大幅度的加速，很多高校和研究机构已经着手无线组网、无线技术的应用方面的研究。特别是与我们日常生活相关的及距离无线组网技术的研究和应用。我们的政府牵头我们将会投入更多的精力到无线传感器网络研究之中。在2006年我国发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中有两项就与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。国内的一些大学也在积极开展Zigbee技术的组网和实现，利用国外厂商的开发平台和芯片建立Zigbee

21、网络，应用于智能家居，无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术的深入，会有更多的国产Zigbee和其他无线产品投入市场。虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：1环境监测和保护：随着人们对于环境问题的关注程度越来越高，需要采集的环境数据也越来越多，无线传感器网络的出现为随机性的研究数据获取提供了便利，并且还可以避免传统数据收集方式给环境带来的侵入式破坏。2医疗护理：无线传感器网络在医疗研究、护理领域也可以大展身手。现如今有种

22、系统通过在鞋、家具以家用电器等家中道具和设备中嵌入半导体传感器，帮助老龄人士、阿尔茨海默氏病患者以及残障人士的家庭生活。利用无线通信将各传感器联网可高效传递必要的信息从而方便接受护理。而且还可以减轻护理人员的负担。3军事领域：由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，使其非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生物化学攻击等多方面用途。4商业化用途：无线传感器网络还被应用于其他一些领域。比如一些危险的工业环境如井矿、核电厂等，工作人员可以通过它来实施安全监测。也可以用在交通领域作为车辆 监控的有力工具。1.3.2 未来前景

23、展望现如今，国内外致力于ZigBee技术的研究的权威机构和知名公司越来越多，这也将大力推动无线传感器网络技术的发展，加速其更新换代和研发。对于这种新兴的近距离、低功耗、低传输率的技术，人们把更多的目光投向了无线组网技术方面的研究，为下一步无线网络化智能传感器的研制做准备。从ZigBee协议规范的研究及完善方面来看，Zigbee协议规范从推出至今，已有大量研究者对Zigbee网络的时间同步、广播问题、安全机制等进行了研究，并且Zigbee协议正在继续改进并将提供更多的功能，但目前仍然存在一些例如无固定地址、容量极限较低、能源利用效率不高等问题。这些都需要在未来的研究中亟待解决。同时，ZigBee

24、规范及其应用仍在不断的发展和完善之中，众多厂商、高校和研究机构都对ZigBee技术展现了极大的研究兴趣，进行了大量的研究工作。我们未来研究的重点将主要集中以下几个方面：1Zigbee芯片和产品的设计：不少厂商推出了Zigbee的产品和全套解决方案。如Freescale公司的第三代PADDR晶片MCl322x；Helicomm公司推出的ADDR Link 1200 Zigbee开发套件；Jennic公司的JN5121513X等。2Zigbee技术的具体应用研究：目前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了Zigbee可能的应用。如智能家居、智能公交车、嵌入式方面、传感器网络的应用。另外，Je

25、nnie公司的JenNET应用在路灯控制、环境监控、生产线数据收集，以及ZigBee结合RFID等。4和其它技术共存研究：对Zigbee网络与其它无线网络共存的问题也有大量的研究，如Zigbee网络和蓝牙网络共存、WiFi的共存与干扰问题。5网络性能评估：对Zigbee网络性能的研究也是一大热点，如研究Zigbee底层的802154标准在竞争时期(CAP)的网络吞吐量和能量消耗、Zigbee网络在不同的通信参数下，网络的通信量及稳定性、在Zigbee网络的低负载的情况下，调整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长等。6路由算法：Zigbee的路由是基于Ad Hoe按需距离矢量(AODV算

26、法)路由算法，这样ZigBee的网状网络建立与数据传播方式和Ad Hoe网络很类似。而传统的AODV算法的路由开销和路由发现可能会干扰网络性能，特别是节点密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可扩展性，目前一些国内外期刊和论文针对AODV路由算法提出了一些改进路由算法，如：ZiCL(ZigBee Cluster Label)算法、MACAODV算法、EAODV算法、QAODVl361算法等。 就目前而言，Zigbee主要广泛应用于传感器、玩具等方面，也大量在军事和环境监控以及医疗监护等领域使用。随着Zigbee功能的强大和开发的完善，它本身的特

27、性决定它将是未来将大量使用于小至居民家庭大至军事和航天事业方面。2 IEEE 802. 15. 4/Zigbee无线传感器网络通信标准2.1 IEEE 802.15.4通信标准IEEE 802.15.4是IEEE针对低速率无线个人局域网指定的无线通信标准。该标准以能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标。旨在为个人或者家庭种不同设备之间的低速率无线互联提供统一标准。该标准定义的LR-WPAN网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处。很多研究机构把它作为传感器网络的通信标准。IEEE 802.15.4标准定义了协议栈的最下面两层：物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）。ZigBee直接使用了

28、这两层，并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构。下面我们具体介绍下这两层的结构和它们是如何工作的。2.1.1 物理层（PHY）物理层定义了物理无线信道和与MAC层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务是从无线信道上收发数据，物理层管理服务维护一个与物理层相关数据组成的数据库。(1) 无线信道的分配IEEE 802.15.4规范的物理层定义了三个载波频段用于收发数据：868MHz（欧洲）、915北美）和2400 MHz（全球范围）。在这三个频段上发送数据使用的速率信号处理过程以及调制方式等方面存在一定差异，其中2400 MHZ频段的数据传输速率为250

29、kbit/s。915 MHz、868 MHZ分别为40 kbit/s和20 kbit/s。IEEE 802.15.4规范定义了27个物理通道，新到编号从0至26，每个具体的信道对应着一个中心频率，覆盖了以上的3个不同的频段。不同的频段所对应的宽度不同，868 MHz频段定义了1个信道（0号信道）；915 MHz定义了10个信道（110号信道）2400 MHz定义了16个信道（1126信道）。这些信道的中心频率定义如下：Fc =8683MHz，k=0；Fc=906MHz+2(k-1)MHz，k=l，2，10；Fc=2405MHz+5(k-11)MHz，k=1l，12，26。(2) 物理层主要功能

30、物理层功能相对简单，主要用于硬件驱动程序的基础上，实现数据距传输和物理信道的管理。其模型如图1所示图1 PHY模型其中，RF-SAP是有驱动程序提供的接口，PD-SAP是PHY层提供给MAC层的数据服务接口，PLAME-SAP是PHY层给MAC层提供的管理服务接口。物理层主要完成：激活/休眠无线收发设备，对当前频道进行能量检测，链接质量指示，为载波检测多址与碰撞避免（CSMACA）进行空闲频道评估，频道选择，数据的发送和接收等。在PHY层有关函数中，1.传输能量（POWER），2.传输中心频率的兼容性及频率稳定度(标识了无线解码器工作频率的稳定程度)，3.接收器之感度，4.接收信号强度指示的测

31、量时较为重要的参数。(3) IEEE 802.15.4的调制方式图2描述了2.4 GHz物理层调制及扩频功能模块。图2 2.4G调制和扩展模块2.4G物理层将数据每字节的低四位和高四位分别映射组成数据符号，每个数据符号又被映射成32位伪随机噪声数据码片。数据码片采用半正弦脉冲波形的偏移正交四相相移键控技术（O-QPSK）调制。每片的形状如同半个正弦波，交替在同相(I)信道和正交相位(Q)信道传送。每个信道占用半个片码偏移周期。(4) PPDU格式PPDU 报文数据是用于数据流同步的同步头、含有帧长度信息的物理层报头以及承载有MAC帧数据的净荷组成。具体结构如表1所示。表1 PPDU格式字 节1

32、1可变前同步码（preamble）帧定界符（SFD）帧长度(7 bit)保留(1 bit)物理层数据(PSDU)同步头(SHR)物理层报头(PHR)物理层净荷(PHY payload)同步报头由前同步码和帧定界符组成，用于获取符号同步、扩频码同步和帧同步。物理层报头指示净荷部分的长度，净荷部分含有MAC层数据包，最大长度是127字节。当数据包的长度类型为5字节或大于8字节时，那么物理层服务数据单元（PSDU）就会携带着MAC层的帧信息（即MAC层协议数据单元）。2.1.2媒体访问控制层（MAC）规范MAC层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据

33、服务中的正确收发，而后者从事MAC层的管理活动，并维护一个信息数据库。 MAC层的主要功能包括如下7个方面：.网络协调者产生并发送信标帧；.设备与信标同步；.支持RAN网络的关联和取消关联操作；.为设备的安全性提供支持；.信道接入方式采用免冲突载波检测多路访问机制（CSMA-CA）；.处理和维护保护时隙机制（GTS）；.在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。图3 MAC模型和物理层类似，MAC层也包括一个管理实体（MLME），MAC层管理实体提供可以唤醒MAC层管理服务的服务接口（MLME-SAP），同时也维护一个与MAC层相关的管理对象数据库（MIB）。(1) 超帧结构在IEEE

34、 802.15.4协议中，通过基于竞争的信道接入方式，提高了信道的利用率，增大了网络效能，而固定时隙的分配，满足了有特殊需求和一些重要的数据传送。周期性进入休眠期关闭信道接入，则节省了网络的能耗。超帧结构中同时包含了三种不同的信道接入周期，从而多样化信道的接入方式同时提高了网络的灵活性。图4 超帧结构在超帧零时隙中定义了一个信标帧（beacon），beacon除了信标的意思外，还能理解为灯塔。正如字面意思所述，信标帧在整个超帧结构中的地位就好比灯塔的导航作用一样，不仅界定了超帧的起始以用来设定固定分配时隙周期的有无以及其长度，换言之，信标帧决定了超帧的构架。如果不存在信道固定分配周期的话，所有

35、的数据传送将完全通过CSMA/CA竞争机制来接入信道。超帧将通信时间划分为活跃和不活跃两个部分。在不活跃期间，PAN网络中的设备不会相互通信，进入休眠状态以节省能量。而在超帧活跃期间，整个事件过程可以划分为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访问时段（CAP）和非竞争访问时段（CEP）。超帧的活跃部分被划分为16个等长的时槽，由协调器设定每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，并通过超帧开始时发出的信标帧广播到整个网络。在超帧的竞争访问时段，IEEE 802.15.4网络设备使用带时槽的CSMA-CA访问机制，并且任何通信都必须在竞争访问时段结束前完成。在非竞争时段，协调器根据上一个超帧PA

36、N网络中设备申请GTS的情况，将非竞争时段划分成若干个GTS。每个GTS由若干个时槽组成，时槽数目在设备申请GTS时指定。如果申请成功，申请设备就拥有了它指定的时槽数目。每个GTS中的时槽都指定分配给了时槽申请设备，因而不需要竞争信道。IEEE 802.15.4标准要求任何通信都必须在自己分配的GTS内完成。超帧中规定非竞争时段必须跟在竞争时段后面。竞争时段的功能包括使网络设备自由收发数据，调节域内设备向协调者申请GTS时段，加入新设备到当前PAN网络等。非竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数据包。如果某个设备在非竞争时段一直处在接收状态，那么拥有GTS使用权的设备就可以在GTS阶段直接向

37、该设备发送信息。(2) 数据传输模式LR-WPAN网络中存在着三种数据传输方式：数据发送到协调器、数据从协调器发出、对等数据传送。星型拓扑网络中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换；而在点对点拓扑网络中，三种数据传输方式都存在。 数据传送到协调器在信标和非信标模式下，主要区别是器件是否先要从协调器获得信标，接着利用带时槽的CSMA/CA来传送资料。如图5图5 数据传送到协调器 数据从协调器传出 在信标使能方式中，协调器会利用信标中的字段来告知有资料要传送。而网络终端则会周期性的监听信标，如果自己是协调器传送对象，则该器件利用开槽CSMA/CA将MAC命令请求控制信息传给协

38、调器。在非信标使能方式中，终端器件利用无槽CSMA/CA将MAC命令请求控制信息给协调器，若协调器有数据要传送，也是利用无槽CSMA/CA方式将资料传出。流程图如下图6图6 数据从协调器传出 对等数据传送在对等的PAN中，任一器件可同其射频范围内的其它器件通信。预通信的器件只有定时接收和彼此完全同步两种状态。(3) MAC层帧结构MAC层帧结构的设计目标是用最简单方法实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输。每个MAC子层的帧都由帧头、负载和帧尾三部分组成。帧头由帧控制信息、帧序列号和地址信息组成。帧尾是帧头和负载数据的16位CRC校验序列。MAC子层负载具有可变长度，具体内容由帧类型决定。表

39、2 MAC帧的通用格式字节210/21/2/80/20/2/82帧控制序列号目的PAN标识符目的地址源PAN标志符源地址帧校验地址帧MAC帧头MAC帧尾IEEE 802.15.4网络共定义了四种类型的帧：信标帧，数据帧，确认帧和MAC命令帧。信标帧信标帧的负载数据单元由四部分组成：超帧描述字段、GTS分配字段、待转发数据目标地址字段和信标帧负载数据。在信标网络中，协调器通过向网络中的所有从设备发送信标帧，以保证这些设备能够同协调器进行同步，从而保证网络运行的成本维持在最低水平。 数据帧数据帧用来传输上层发到MAC层的数据，它的负载字段包含上层需要传输的数据。数据负载传到MAC层时，被称为MSD

40、U。MAC帧传送至物理层后，就成为了物理帧的负载PSDU。确认帧如果设备收到目的地址为其自身的数据帧或MAC命令帧，并且帧的控制信息字段的确认请求位被置1，设备需要回应一个确认帧。确认帧的序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。命令帧MAC命令帧只是在格式上和其他类型的帧的帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头的帧控制字段的帧类型为011B就表示这是一个命令帧。命令帧的具体功能由帧的负载数据表示。负载数据是一个变长结构，所有命令帧负载的第一个字节是命令类型字节，后面的数据针对不同的命令类型有不同的含义。命令帧主要完成三方面的功能：把设备关联到PAN网络，与协调器交换数据，分配GTS

41、，可以用于组建PAN网络，传输同步数据等。2.2 Zigbee技术概述根据Zigbee联盟于2005年6月27日公布的第一份“Zigbee”规范“Zigbee Specification V1.0”中的定义，Zigbee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线便准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。该标准同时规定和确认了了在IEEE 802.15.4的物理层（PHY）上的和介质访问控制层（MAC）网络层及支持的应用服务。而组建Zigbee联盟的长期目标就在于能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构。Zigbee标准的分层架构是在OSI七层模型的基础上根据

42、市场和应用的实际需要定义的。其中IEEE 802.15.4标准定义了底层协议：物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）。Zigbee联盟在此基础上定义了网络层（NWK），应用层（APL）架构。在应用层提供了应用支持子层（APS）和Zigbee设备对象（ZOD）。应用框架则加入了用户自定义的应用对象。Zigbee的体系结构如图7所示。图7 Zigbee协议的体系结构2.2.1 网络层（NWK）规范ZigBee协议栈的核心部分就在网络层。ZigBee网络层的主要功能就是为应用层提供合适的服务接口，并提供一些必要的函数，以确保ZigBee的MAC层正常工作。另外，主要节点加入或离开网络、接收或抛弃

43、其他节点、路由查找及传送数据等功能的实现也是在网络层中完成的。 图8 网络层结构模型网络层结构中定义了两种服务实体来实现必要功能，分别为数据服务实体（NLDE）和管理服务实体(NLME)，NLDE通过数据服务实体服务访问点（NLDE-SAP）来提供数据传输服务，NLME通过管理服务实体服务访问点（NLME-SAP）来提供管理服务。网络层的主要功能有： 网络发现； 网络形成； 允许设备连接； 路由器初始化； 设备同网络连接； 直接将设备同网络连接； 断开网络连接； 重新复位设备； 接收机同步； 信息库维护等等。2.2.2 应用层（APL）规范在Zigbee协议中应用层是由应用子层、Zigbee设

44、备配置层和用户应用程序来组成的。应用层提供高级协议栈管理功能，用户应用程序有各制造商自己来规定。它使用应用层来管理协议栈。2.2.2.1 应用支持子层（APS）应用支持子层(APS)参考模型如图9所示，APS层通过Zigbee设备对象和制造商定义的应用对象所用到的一系列服务来为网络层和应用层提供接口。APS层所提供的服务有数据服务实体（APSDE）和管理服务实体来实现(APSME)。图9 应用支持子层结构模型应用支持子层的功能包括：维持绑定表以及在绑定的设备之间传送消息。2.2.2.2 Zigbee设备配置层ZigBee设备配置层提供标准的Zigbee配置服务，它定义和处理描述符请求。在目前的

45、Zigbee协议栈版本中，还没有完全实现设备配置层，先进大多协议把它定义成一种特殊的应用对象。ZigBee设备配置层负责定义设备在网络中的角色(如ZigBee协调器和终端设备)，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制等。并且。它还有发现网络中的设备和决定向他们提供何种应用服务的功能。2.2.2.3 用户程序ZigBee应用层的一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。现在运行在Zigbee协议栈上的应用程序实际上就是芯片生产厂商自定义的应用对象。这些应用程序使用Zigbee联盟给出并批准的规范来进行开发的，并且这些程序大多运行在端点1至240上。除此之外，ZigBee应用层还提

46、供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口。2.2.3 Zigbee协议栈中各层之间的关系在ZigBee协议栈中，任何通信数据都是利用帧的格式来组织的。协议栈的每一层都有特定的帧结构。当程序通过APS数据实体发送数据请求至APS，在得到允许后，对下一层发送信息。而下一层会在给数据中附加该层所有的相应的帧头后，往再下一层发送，随后的下级每一层中都会重复此操作，这样来组成最终要发送的信息。其逻辑结构关系如图10所示。图10 各层间帧结构的关系2.2.4 Zigbee的网络配置Zigbee标准在此基础上定义了三种节点：Zigbee协调节点(Coordinator)、路由节点(Router)和终端节

47、点(End Device)。Zigbee协议标准中定义了三种网络拓扑形式，分别为星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，如图11所示。图11 Zigbee网络三种拓扑结构星形网络是三种拓扑结构中最简单的，因为星形网络没用到Zigbee协议栈，只要用802154的层就可以实现。网络由个协调器和一系列的路由器和终端设备构成，节点之间的数据传输都要通过协调器转发。节点之间的数据路由只有唯一的一个路径，没有可选择的路径，假如发生链路中断时，那么发生链路中断的节点之间的数据通信也将中断，此外协调器很可能成为整个网络的瓶颈。在树形拓扑结构中，每一个节点都只能和他的父节点和子节点之间通信，也就是说，当从一个节点向另一

48、个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点然后再向下传递到目标节点。这这种拓扑方式的缺点就是信息只有唯一的路由通道，信息的路由过程完成是由网络层处理，对于应用层是完全透明的。网状网络除了允许父节点和子节点之间的通信，也允许通信范围之内具有路由能力的父子关系的邻居节点之问进行通信，它是树形网络基础上实现的，与树形网络不同的是，网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有强大的自组织、自愈功能，网络可以通过“多级跳”的方式来通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。该拓扑结构的优点是减少了消息延时，增强了可靠性，

49、缺点是需要更多的存储空间的开销。2.2.5 Zigbee协议术语ZigBee基本术语之间的关系如图12：图12 Zigbee协议的术语关系（1） 设备（Device） 一个节点就是一个设备，对应一个无线单片机（CC2530）；一个设备有一个射频端， 具有唯一的IEEE 地址（64位）和网络地址（16位）。在协议栈中不同的设备有相应的配置文件： 协调器（全功能设备FFD） 配置文件： f8wCoord.cfg路由器（全功能设备FFD） 配置文件：f8wRouter.cfg 终端设备（半功能设备RFD）配置文件：f8wEndev.cfg （2） 端点（Endpoint） 它是一个8位的字段，描述一

50、个射频端所支持的不同应用。 端点0x00：用于寻址设备配置文件，这是每个ZigBee设备必须使用的端点； 端点0xff：用于寻址所有活动端点； 端点0xf10xfe：保留； 端点0x010xf0： 共支持240个应用，即一个物理信道最多支持240个虚拟链路（3） 簇（Cluster）多个属性的汇集形成了簇，每个簇也拥有一个唯一的虽然个体之间传输的通常是属性信息，但所谓的逻辑组件的接口指的却是簇一级的操作，而非属性一级（4） 属性（Attribute） 设备之间通信的每一种数据像开关的状态或温度计值等皆可称为属性。每个属性可得到唯一的ID。 （5） 描述符（Descriptor） 一个设备(de

51、vice)可以有240个端点（endpoint 1endpoint 240），每一个端点必须有一个端点描述符endPointDesc，端点描述符里包括一个简单描述符Simple Description Format。 （6） 绑定（Binding） 通过使用ClusterID为不同设备上的端点建立一个逻辑上的连接。绑定是控制信息从一个应用层到另一个应用层流动的一种机制。在ZigBee2004中，只有通过协调器才能发起绑定，即只有协调器能建立绑定表，而ZigBee2006中，绑定机制在所有的设备中被执行。（7） 分层协议标准 图13 层与层之间的原语通信 Request：请求原语用于上层向本层请

52、求指定的服务。 Confirm：确认原语本层用于响应上层发出的请求原语。 Indication:指示原语由本层发给上层用来指示本层的某一内部事件。 Response：响应原语用于上层响应本层发出的指示原语。请求(Request)、响应(Response)原语分别由协议栈中处于较高位置的层向较低层发起；确认(Confirm)、指示(Indication)原语则从较低层向较高层返回结果或信息。原语遵循“SAP名称原语功能.原语类型”的书写规则， 如“MLME-ASSOCIATE.request”表示MLME-SAP提供的关联请求原语。3 CC2530介绍CC2530是德州仪器(TI)推出的完整的用

53、于2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee RF4CE/ZigBee和能源应用的第二代片上系统解决方案，拥有庞大的快闪记忆体，多达256个字节，是理想ZigBee专业应用。它结合了高性能的2.4GHz DSSS (直接序列扩频) 射频收发器和一个高性能低功耗的8051微控制器,适合用于搭建功能健全价格低廉的网络节点。同时，支持新RemoTI的ZigBee RF4CE ，这是业界首款符合ZigBee RF4CE兼容的协议栈，并且拥有更大内存将允许芯片无线下载，支持系统编程。CC2530在单个芯片上集成了IEEE802.15.4 标准2.4GHz频段的RF 无线电收发机,具有优良的无

54、线接收灵敏度和抗干扰性。图14使其芯片实物，图15为以CC2530为核心的开发板。CC2530的睡眠模式和其与工作模式超短的激活转换时间，使得其RF模块成为针对超长电池使用寿命应用的理想解决方案。CC2530可用于Zigbee协调器、路由器及终端设备，所以也是本文设计方案实现的最理想载体。在结合了T1/Chipcon业界领先的Zigbee协议栈之后，CC2530被认为是市面上最具竞争力的Zigbee解决方案。图14 CC2530芯片图15 基于CC2530的Zigbee开发板3.1 CC2530的相关特性（1）强大无线前端 2.4 GHz IEEE 802.15.4标准射频收发器 。 出色的接

55、收器灵敏度和抗干扰能力。 可编程输出功率为4.5dBm，总体无线连接102dbm。 极少量的外部元件。 支持运行网状网系统，只需要一个晶体。 6毫米 6毫米的QFN40封装 。 适合系统配置符合世界范围的无线电频率法规：欧洲电信标准协会ETSI EN300 328和EN 300 440 （欧洲），FCC的CFR47第15部（美国）和ARIB STD-T-66（日本）。（2）低功耗 接收模式：24毫安 。 发送模式1dBm：29毫安 。 功耗模式1（4微秒唤醒）：0.2毫安 。 功率模式2（睡眠计时器运行）：1微安 。 功耗模式3（外部中断）：0.4微安 。 宽电源电压范围（2V3.6V）。（3

56、）微控制器 高性能和低功耗8051微控制器内核。 32/64/128/或256/kB系统可编程闪存。 8 KB的内存保持在所有功率模式。 硬件调试支持。（4）外设 强大五通道DMA。 IEEE 802.15.4标准的MAC定时器，通用定时器(一个16位, 2个8位)。 红外发生电路。 32KHZ的睡眠计时器和定时捕获。 CSMA/CA硬件支持。 精确的数字接收信号强度指示/LQI支持。 电池监视器和温度传感器。 8通道 12位ADC在，可配置分辨率。 AES加密安全协处理器。 两个强大的通用同步串口。 21个通用I/O引脚。 看门狗定时器。3.2 CC2530结构分析图16是CC2530 的功

57、能模块图。这些模块大致可以分为三类：CPU 和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。图16 Zigbee功能模块图3.2.1 功能模块介绍（1）CPU 和内存CC253x芯片系列中使用的8051CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线，单周期访问SFR，DATA和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个输入扩展中断单元。中断控制器：总共提供了18个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。甚至还可以通过一些中断把设备从睡眠模式唤醒。32/64/128/256 KB闪存块

58、：为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，映射到XDATA存储空间。除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据，这样设备重启之后可以使用这些数据。使用这个功能，例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过完全启动、网络寻找和加入过程。（2）外设：CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。调试接口：执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051 内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行

59、内电路的调试和外部闪存的编程。I/O控制器：负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU 中断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到I/O 引脚的外设可以在两个不同的I/O 引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。五通道DMA控制器：系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针和传输计数）用DMA 描述符在存储器任何地方配置。许多硬件外设（AE

60、S 内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC 接口）通过使用DMA 控制器在SFR 或XREG 地址和闪存/SRAM 之间进行数据传输，获得高效率操作。定时器1：是一个16位定时器，具有定时器/PWM 功能。它有一个可编程的分频器，一个16位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16 位比较值。每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。它还可以配置在IR产生模式，计算定时器3周期，输出是ANDed，定时器3 的输出是用最小的CPU 互动产生调制的消费型IR 信号。MAC定时器（定时器2）：是专门为支持IEEE 802.15.4 MAC或软件中其他

61、时槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的精确时间，或传输结束的精确时间，还有一个16位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。定时器3和定时器4 ：是8位定时器，具有定时器/计数器/PWM功能。它们有一个可编程的分频器，一个8位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个8位的比较值。每个计数器通道可以用作一个PWM输出。睡眠定时器：是一个超低功耗的定时器，计算32 kHz晶振或32 kHz RC 振荡器的周期。睡眠定时器在除了供电

62、模式3 的所有工作模式下不断运行。这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1或2。看门狗：一个内置的看门狗允许CC2530 在固件挂起的情况下复位自身。当看门狗定时器由软件使用，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。（3）无线设备：CC2530 具有一个IEEE 802.15.4 兼容无线收发器。RF 内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU 和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。3.2.2 引脚描述CC2530的引脚排布如图17，对各个引脚的简单描述如表3。图17 CC2530引脚排布表3 引脚描述 引脚名称描述AVDD12V3.6V模拟电源连接AVDD22V3.6V模拟电源连接AVDD32V3.6V模拟电源连接AVDD42V3.6V模拟电源连接AVDD52V3.6V模拟电源连接AVDD62V3.6V模拟电源连接DCOUPL1.8V数字电源去耦DVDD12V3.6V数字电源连接DVDD22V3.6V数字电源连接GND接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面GND连接到GNDP0_0端口0.0P0_1端口0.1P0_2端口0.2P0_3端口0.3P0_4端口0.4P0_5端口0.5P0_6端口0.6P0_7端口0.7