基于CC2530的ZigBee无线传感器网络研究和设计

孙中廷

（江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院，江苏徐州221011）

基于CC2530的ZigBee无线传感器网络研究和设计

孙中廷

（江苏联合职业技术学院徐州机电工程分院，江苏徐州221011）

ZigBee技术以低成本和低能量开销等优势被广泛应用在许多领域。探讨了网络的拓扑结构、设备类型、ZigBee协议和协议体系结构，并介绍了CC2530芯片，使用Z-Stack协议栈，对ZigBee网络的通信距离和丢包率进行了实验测试。试验结果表明，ZigBee网络采用CC2530具有较长的通信距离和更好的通信质量。

ZigBee CC2530 Z-Stack协议栈无线网络测试

1　引言

随着无线通信技术的飞速发展技术，可靠和灵活的通信技术已经越来越有应用前景，特低功耗、低成本的、可靠的数据传输和灵活ZigBee网络，一直是最有前途的技术并在许多领域得到广泛的应用［1］。TI公司新的CC2530芯片是真正的片上系统解决方案，适用于IEEE 802.15.4，ZigBee，RF4CE和智能能源的应用［2］。因此，设计基于CC2530的大规模ZigBee通信网络是有实际意义的。

2　ZigBee无线传输技术

ZigBee无线通信技术是一种技术是基于IEEE802.15.4标准，它工作在2.4 GHz频段，具有抗干扰性能好，能够可靠的与Wi-Fi、蓝牙、无线遥控和家用无绳电话等网络共存［3］。

2.1ZigBee网络的拓扑结构和设备类型

ZigBee网络支持3种典型的拓扑结构：星型、树型和网状［4］。根据项目要求选择网络拓扑类型。在ZigBee网络中有3种设备类型：协调器，路由器和终端设备［4］。协调器是整个网络的中心，负责网络建立，管理和维护，它也可以控制监测区。路由器是负责允许其他设备加入网络、多跳路由和数据包转发。终端设备可以加入和离开网络，发送和接收数据，可以选择休眠。

2.2ZigBee协议的体系结构

ZigBee协议栈有4层［5］，结构如图1所示。

图1　ZigBee协议栈结构

在图1中，物理层负责物理信道数据传输与管理，MAC层的主要功能是：对协调器生成和发送网络信标，提供了可靠的通信链路等；网络层负责建立网络连接的拓扑结构和维护，以及在路由发现和路由设备转发；应用层是由应用支持子层（APS），ZigBee设备配置用户应用层，ZigBee设备配置层提供标准ZigBee配置服务，用户应用程序根据用户的需求开发。

3　CC2530片上系统

CC2530是TI推出的第二代支持IEEE 802.15.4/ZigBee协议的系统在一个芯片中2.4 GHz频段，其内部集成高性能射频收发器、8051内核、8 KB与256 KB的FLASH ROM和RAM［6］。其主要特点如下：2个USART，8位和16位定时器，8个输入可配置的12位ADC，21个GPIO，AES128协处理器，硬件支持的CSMA/CA，数字化的接收信号强度指标，链路质量指示和强大的DMA功能，电池监测和温度传感，支持5种操作模式，可以更好的满足低功耗系统。电流消耗为24 mA与29 mA在接收和传输模式。由于其硬件设计相对简单，小封装，低功耗，已经被广泛的应用在无线传感器网络［7］。

CC2530可以作为ZigBee协调器、路由器和终端设备。结合TI公司的ZigBee协议栈后，CC2530被认为是在激烈竞争市场中的最佳的ZigBee解决方案。本文的ZigBee网络的研究是利用TI的Z-Stack协议栈。

4　ZigBee网络建立

4.1Z-Stack协议栈分析

Z-Stack是TI公司设计的ZigBee协议栈。Z-Stack由main函数开始执行，该函数具有2个功能：一是系统初始化，另外一件是开始执行轮转查询式操作系统。操作系统抽象层OSAL实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提供多任务处理机制。用户可以调用OSAL提供的相关API进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现。

4.2ZigBee网络的组网

组网流程图如图2所示，ZigBee网络的协调建立初期，其他节点申请加入网络［8］。当第一FFD装置被激活，它执行主动扫描过程选择一个最佳的通道为当前通道，首先成功的网络节点是协调器。

该网络建立后，所有其他的节点作为子节点，发送一个请求到其通信范围内的网络。如果发现网络，节点选择父节点请求加入网络和等待父节点的响应后，父节点接收到它，它会判断是否允许。如果允许加入，父节点应答子节点的请求后，子节点接收到请求的响应，父节点将指定一个网络地址，又称为短地址，作为一个独特的网络标识符，成功地加入网络。第一个FFD激活节点作为协调节点将广播信标帧，同时接受一个新的网络节点的请求。

图2　ZigBee网络流程图

IAR7.51作为开发环境。基于协议栈z-stack-cc2530-2. 2.0-1.3.0，建立ZigBee网络和实施一个星形网络节点。协调器节点可以通过USB与PC机连接，通过PC的串口软件显示接收到的数据。其他节点作为路由器设计，这样可以周期性地发送数据到协调节点。

5　测试和分析

测试工作分为2个部分，传输距离测试室外和丢包率测试实验室环境。

5.1传输距离测试

ZigBee节点分布在测试环境更加开放的广场空间，CC2530下载通信模块测试程序，传输距离测试开始。CC2530输出功率设置为0.5 dBm。

为了便于观察节点是否加入网络传输数据，将终端设备定期发送数据包到协调节点。协调节点连接到PC接收数据并显示。当成功地接收的数据，对LED模块闪烁一次，表明数据传输成功的，这样得到ZigBee网络通信测试数据如表1所示。

表1　传输距离测试结果

网络的通信距离远，一个节点可以连接到网络。结果表明，ZigBee网络距离小于通信距离，这是因为信号强度必须大于-85 dbm，协议栈节点需要连接网络，而所有的安装天线模块的实际通信距离为100 m。

5.2网络丢包率测试

在通信节点的丢包检测网络，使用2个节点的实验。节点1通过USB接口连接到计算机，所接收的数据可以通过对PC节点2串口助手的显示。节点2周期性地发送数据包到节点1，传输周期开始。实验是在实验室中进行的，其中有一个复杂电磁环境，具体的测量丢包率如表2所示，表2数据格式：总数据包数发送/丢包率。

表2　丢包率测试结果

从表2可以看出，ZigBee网络的数据包丢包率是非常低的，即使2个节点都相隔3个房间的墙壁，平均丢包率低于3%，因此采用CC2530具有良好的通信网络质量。

6　结束语

本文讨论了3个ZigBee协议网络的拓扑结构，三设备类型及其结构。它还介绍了芯片CC2530的基本情况、系统的主要特点及其目前市场上的ZigBee SOC解决方案。基于Z-Stack协议栈，建立了基于CC2530无线网络。实验表明，网络通信性能较好。通过检验网络的通信距离和数据包丢失率表明，采用CC2530的ZigBee网络具有较长的通信距离和更好的通信质量。

［1］赵树恩，张沙沙.基于ZigBee技术的交通信号灯辨识系统设计［J］.计算机测量与控制，2014，22（12）：4066-4068.

［2］陈冬方，蒲明松，王天营.离散型生产过程信息监控网络及节点设计［J］.自动化与仪器仪表，2014（12）：85-87.

［3］周健，罗杰.一种远程分布式温室环境监测系统设计［J］.微型机与应用，2014，33（22）：11-13，16.

［4］早明华，徐立鸿，蔚瑞华，等.基于WSN的低功耗温室环境监测系统设计［J］.机电一体化，2013，19（10）：49-53.

［5］苟全登，闫连山.基于ZigBee的低功耗井下人员快速定位系统的研究与设计［J］.煤炭技术，2013，32（9）：113-114.

［6］陈振华，陈小燕，刘星毅.基于Zigbee技术的滨海电站温排水监测系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2013，21（9）：2400-2402.

［7］Wang Hua-bin，Luo Zhong-liang.Design of Data Acquisition and Monitoring System Based on ZigBee［J］.Computer& Modernization，2011，1（8）：114-116.

［8］Shi Z，Fan X，Jing Z.Intelligent Environmental Monitoring System Design Based on CC2530［C］.International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation，IEEE，2013：652-654.

The Study and Design of ZigBee WSNs Based on CC2530

SUN Zhong-ting
（Xuzhou Electromechanical Engineering Department of Jiangsu United Vocational College，Xuzhou Jiangsu 221011，China）

ZigBee is widely used in many fields，which has advantages of low cost and low energy consumption.The topology of the network，type of equipment，ZigBee protocol and architecture are discussed in this paper，and CC2530 chip is also introduced；communication distance and packet loss rate of ZigBee network are tested by using Z-Stack protocol.The test result shows that ZigBee network based on CC2530 has long communication distance and better communication quality.

ZigBee；CC2530；Z-Stack protocol；wireless network test

TP212

A

1008-1739（2015）19-65-3

定稿日期：2015-09-12