基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现

肖敏敏

摘 要：无线传感网络不仅能够为智能实验室的通信提供技术支持，还能够通过Zigbee技术，使智能实验室系统实现对各传感器、探测器设备的管控与监测，从而大大提高了实验室智能管理系统的功能。本设计主要为基于CC2530的无线传感网络，无线传感网络的形状为网状结构，使用了CC2530芯片、CC2591等硬件，然后在构建起硬件的基础之上，使用串口测试工具对所建立的网络进行了测试。

关键词：CC2530;无线传感网络;Zigbee技术;传感器;Zigbee协调器

1 无线通信技术的选用

在本研究中的无线传感网络上，在综合考虑了集中当下较为热门的短距离通信技术后，认为Zigbee技术是适用于无线传感网络的最佳选择。在功耗方面，Zigbee技术相比较Wi-Fi与IrDA技术，其功耗较低，所需耗能较少。在功能上，Zigbee技术能够连接的节点数量最多，远远超出其他几种技术的总和。传输范围上，与Wi-Fi技术相似，能够覆盖，1-100米的范围，实现1-100米范围内的无线双向通信。而在最为重要的数据传输方面，Zigbee技术能够支持每秒钟250K的传输速率，这一传输速率对于没有大型数据交互的智能实验室来说是足够的，因而可以选用Zigbee技术。

2 硬件方面的设计

CC2530芯片的是一种体积较小、但功能强大的处理芯片，能够兼容Zigbee技术技术是其作为本设计选择的主要原因。从网络上来看，CC2530芯片集成了众多网络协议，不仅有IEEE 802.15.4协议，还集成了应用日渐广泛的Zigbee协议。得益于众多网络协议的继承，CC2530芯片能够具备良好的网络适应功能。在本研究中的基于CC2530之上，运用Zigbee技术所组建的无线传感网络，考虑到智能实验室内各类设备较多，有时在开展大型试验时，需要与其他实验室进行互动，因而对基于CC2530的无线传感网络，在发射频率上有一定的要求，为了保障无线传感网络通信功能的正常，需要增强无线传感网络的信号发射频率，因此选用了具备扩大通信系统信号传输距离的CC2591芯片。CC2591射频芯片的体积很小，可以集成在传感器节点之上，且发射功率较低，仅为4.5分贝毫瓦，符合本设计节能的要求。

3 无线传感网络的设计与实现

3.1 Zigbee协议栈

从Zigbee技术的结构上来看，可以分为应用层和网络层两个层次，其中应用层侧重于无线传感网络的管理方面，网络层侧重于无线传感网络的网络通信方面。其中网络层中的MAC层、NWK层等都建立在Zigbee协议栈之上，需要使用基于Zigbee的协议栈，因而本设计选用了Z-Stack-2.4.0-1.4.0。Z-Stack-2.4.0-1.4.0协议栈的APP层是无线传感网络各应用存放数据的场所;HAL层则记录无线传感网络的各类硬件信息;MAC层主要是负责无线传感网络中与MAC参数相关的文件。

3.2 Zigbee软件开发环境

EW是一款出色的嵌入式开发工具，所占用的资源较少，适合CC2530芯片的操作，因而从性能上来说是足够的。从功能上来看，EW熊开发工具具有强大的兼容性，能够兼容C语言、C++等常见编程语言，且EW的编辑器功能丰富，能够随着编程语言的增多，而富于EW更多的管理功能。

4 ZigBee网状网络结构的实现

4.1 ZigBee分布式网络的实现

在ZigBee网状网络上，本设计主要采用了分布式的传感网络。在本设计中，ZigBee分布式网络采用了总-分结构设计，即依托智能实验室的中央处理系统，与ZigBee协调器直接连接，ZigBee协调器再与路由器节点进行连接，路由器节点再根据分布位置的不同，与周围的若干个传感器节点连接。在建立起总分结构以后，ZigBee协调器的主要作用在于向智能实验室的管理系统传输数据、发送命令。路由器是分级的结构，主要负责管理各个传感器，而传感器则是具体的工作设备，依托各种型号的传感器，对智能实验室进行实时监测，并收集智能实验室内的各项信息，在监测到异常事件信息后，便通过路由器节点，将其传递到ZigBee协调器。

4.2 ZigBee协调器组网

为了能够实现ZigBee协调器组网工作，主要是处理好ZigBee协调器、路由器节点、传感器节点的组网工作。首先在ZigBee协调器组网上，可使用无线传感网络的设备，向ZigBee协调器发送入网请求，以检测ZigBee协调器是否有反应，以及判断接入点的IP位置，确定是哪个传感器节点发送的入网请求。对于ZigBee协调器的网络信道，要选择合适的信道，具体而言信道要与周边网络的信道来确定，以避免网络信道的干扰问题。在路由器节点的组网上，在启动路由器以后，路由器会自动连接到ZigBee协调器之上，但是这时的网络还没有连通。在通过ZigBee协调器对路由器节点进行授权以后，本设计中有三个路由器节点，则要分别为这三个路由器节点分配IP地址、MAC地址、DNS等信息，才能够使路由器节点接入到ZigBee協调器之中。传感器节点与路由器节点的连通较为简单，一般只要传感器节点支持ZigBee技术，便可以与路由器节点实现直接的连通。考虑到本设计中应用的传感器节点较多，因而在传感器节点的连通上，要通过组网验证的方式来完成。

5 结语

在本文的研究中，通过基于CC2530芯片设计了使用ZigBee技术的无线传感网络，该无线传感网络能够连接智能实验室内的传感器节点，并实现对各传感器节点的控制，大大提高了通信的效率，有助于推动智能实验室内各项工作的深入开展。

参考文献：

[1]王宇楠.基于物联网的仓库监控系统的研究与设计[D].福州大学，2016，6.