基于CC2430的Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

段恒利

摘 要 文章依據(jù)Zigbee技術(shù)的結(jié)構(gòu)及工作原理為前提，采用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片作為主控芯片來對Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點進行了硬件、軟件設(shè)計。在軟件方面，對節(jié)點的組網(wǎng)、入網(wǎng)流程進行了分析。

關(guān)鍵詞 Zigbee技術(shù)；CC2430；協(xié)調(diào)器節(jié)點

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）16-0012-01

Zigbee技術(shù)，近年來發(fā)展起來的一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)新型技術(shù)，廣泛應(yīng)用于智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、物流行業(yè)等領(lǐng)域。該技術(shù)具有傳輸距離短、速度快、功耗低、低復雜度等特點，適用于對數(shù)據(jù)量傳輸小、數(shù)據(jù)傳輸速率要求不太高的場合。ZigBee無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性極高，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，與現(xiàn)有的電話蜂窩網(wǎng)絡(luò)比較類似，但它發(fā)射功率較小、在實時性上要優(yōu)于CDMA、GSM網(wǎng)絡(luò)。

1 硬件設(shè)計

在一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，只能由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，多個路由器節(jié)點及多個終端節(jié)點組成。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點用來創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，且只作為主節(jié)點存在。

此處系統(tǒng)處理器模塊采用CC2430芯片作為核心芯片來設(shè)計實現(xiàn)（CC2430芯片詳細資料參看TI公司網(wǎng)站）。鑒于篇幅，此處主要針對協(xié)調(diào)器節(jié)點來進行設(shè)計。對于一般的協(xié)調(diào)器節(jié)點均都由電源模塊、串口電路、CC2430芯片、無線射頻天線RF、仿真模塊、鍵盤模塊等電路組成。整個節(jié)點的檢測區(qū)域通過協(xié)調(diào)器來協(xié)調(diào)控制，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性可以通過增加路由節(jié)點來控制。該節(jié)點用于整個無線網(wǎng)絡(luò)的建立、維護，節(jié)點的綁定，完成數(shù)據(jù)的歸總，后采用RS232/RS485串口以有線的方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機做下一步的處理。

CC2430無線通信模塊負責網(wǎng)絡(luò)的建立、分配，節(jié)點的加入，信息的交互；當收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)時，該節(jié)點負責接收、存儲，并通過串口送顯到上位機。電源模塊負責提供節(jié)點需要的穩(wěn)定電源，可以采用干電池供電或者外接電源的方式；串口模塊負責CC2430無線模塊與上位機的信號連接；仿真器模塊負責程序的下載，通過USB接口將CC2430模塊與上位機相連；LED燈電路用于判斷協(xié)調(diào)器是否工作正常；鍵盤電路負責命令的發(fā)送與控制。

2 軟件設(shè)計

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點組網(wǎng)流程

在組網(wǎng)之前，需要先進行無線網(wǎng)絡(luò)的初始化，流程如下。

1）確定網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點。通過判斷是否是FFD節(jié)點來決定是否為協(xié)調(diào)器節(jié)點。如果是FFD節(jié)點，再判斷該節(jié)點是否作為協(xié)調(diào)器或者存在其他網(wǎng)絡(luò)中。信道中通過設(shè)置一個掃描期限，發(fā)送一個信標請求命令來檢測該FFD節(jié)點是否是協(xié)調(diào)器節(jié)點。如果在掃描時間搜索范圍內(nèi)沒有收到信標命令，則可以判斷該FFD節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中不存在協(xié)調(diào)器，可以建立網(wǎng)絡(luò)。

2）信道掃描。該過程包含能量掃描和主動掃描兩個過程。能量掃描是指對信道進行能量檢測，然后以能量值按升序?qū)π诺肋M行排序處理，選出可以使用的信道。緊接著就進行主動掃描過程，通過掃描獲得網(wǎng)絡(luò)中含有信標幀的網(wǎng)絡(luò)信息，從而選取一個合適的信道來傳輸信息。在主動掃描區(qū)間，MAC層只接受PHY層的信標幀，其他幀一律不接收。

3）設(shè)置網(wǎng)絡(luò)號碼。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，每一個節(jié)點都有一個64位的長地址、16位的短地址。長地址可以用于本地和外網(wǎng)的通信，由IEEE組織分配；短地址則用于本地網(wǎng)絡(luò)的通信，是唯一的，通過節(jié)點入網(wǎng)時的父節(jié)點分配。當節(jié)點尋找到一個合適的信道后，協(xié)調(diào)器會給網(wǎng)絡(luò)選定一個唯一的，不和其他網(wǎng)絡(luò)沖突的一個網(wǎng)絡(luò)標示符（PAN ID）。這個PAN ID號碼也可以人為的確定，只要不與其他網(wǎng)絡(luò)沖突。

初始化完成后，就等待其他節(jié)點的加入。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點工作過程

協(xié)調(diào)器節(jié)點創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)成功后，將接收一系列的串口命令。它將通過解析相應(yīng)的命令來通知相應(yīng)的節(jié)點。如果串口命令是人體感應(yīng)器節(jié)點命令，則發(fā)送查詢MSG消息給人體感應(yīng)器節(jié)點；如果是查詢溫度傳感器命令，則發(fā)送查詢溫度MSG消息給溫度傳感器節(jié)點；如果是查詢氣敏傳感器的，則發(fā)送氣敏MSG消息給氣敏傳感器節(jié)點；如果是查詢電動窗簾的，將發(fā)送相應(yīng)的MSG消息給電動窗簾節(jié)點。如果接收到的不是串口命令，而是MSG消息，將通過信息解析后封裝成數(shù)據(jù)包再發(fā)送到LCD顯示。

當協(xié)調(diào)器組網(wǎng)成功后，在其應(yīng)用層上GenericApp_ProcessEvent函數(shù)就會收到AF-INCOMING-MSG-CMD事件信息，后會通知GenericApp_ProcessMSGCB，并將信息傳遞給串口。

3 Zigbee節(jié)點組網(wǎng)測試

測試前準備好協(xié)調(diào)器節(jié)點、終端節(jié)點（采用現(xiàn)有的溫度傳感器模塊（DS18B20））、CC2430仿真器、5V電源和一根USB連接線，然后按照以下步驟進行操作。

1）將CC2430仿真器JTAG接口連接至協(xié)調(diào)器（網(wǎng)關(guān)的CC2430開發(fā)接口上）。

2）使用5V電源為協(xié)調(diào)器節(jié)點供電；使用MINI-USB線為溫度傳感器供電；供電電源可使用電腦USB接口或使用電源模塊。

3）使用USB線連接CC2430仿真器和電腦。

4）打開節(jié)點工程，將程序下載到CC2430模塊上。通過RS-232串口線連接到電腦上電腦串口配置：波特率19200、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位、無奇偶校驗位、無數(shù)據(jù)流控制位。通過電腦超級終端顯示。

在給協(xié)調(diào)器上電后，會顯示Zigbee Coordinator；接著協(xié)調(diào)器會自動尋找可用信道組建無線網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)成功會顯示網(wǎng)絡(luò)地址和網(wǎng)絡(luò)號（PAN 04A3）；接著顯示Joining permitted，表示允許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)；按下開關(guān)S1，可以看到LED1燈亮，說明組網(wǎng)成功。繼續(xù)給終端節(jié)點（溫度傳感器）上電，連接串口，隨后該節(jié)點將自動尋找該網(wǎng)絡(luò)，并綁定；成功后將輸出“Netwoks found.Trying to join 04A3” 網(wǎng)絡(luò)；協(xié)調(diào)器節(jié)點端也會顯示“Node 3472 just joined”，表示終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)按下開關(guān)S2，啟動入網(wǎng)程序。

終端節(jié)點先向協(xié)調(diào)器發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)請求，協(xié)調(diào)器收到請求后作出回應(yīng)，接收加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址。如果LED2燈亮，說明入網(wǎng)成功。然后按下開關(guān)S2，發(fā)送綁定申請。在10秒后按下協(xié)調(diào)器的S1開關(guān)，就啟動了綁定程序，二者就確立了綁定關(guān)系。

4 結(jié)束語

本文基于CC2430芯片設(shè)計了Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件、軟件設(shè)計方法，給出了硬件設(shè)計、軟件方面對該節(jié)點的組網(wǎng)過程進行了詳細分析；最后對節(jié)點的組網(wǎng)進行了測試，驗證了該節(jié)點設(shè)計的可行性。

參考文獻

[1]張福生.物聯(lián)網(wǎng)開啟全新生活的智能時代[M].山西人民出版社，2010：36-49.

[2]朱曉榮，齊麗娜，孫君，等.物聯(lián)網(wǎng)與泛在通信技術(shù)[M].人民郵電出版社，2010：11-14.endprint