IEEE 802．15．4的CC2530無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)設計

摘要：基于TI公司的CC2530實(shí)現了IEEE 802．15．4(ZigBee)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)協(xié)議；在分析CSMA-CA算法的基礎上，重點(diǎn)討論了片內集成的命令選通／CSMA-CA處理器的工作機制，同時(shí)組建了一個(gè)小型星狀網(wǎng)絡(luò )。測試結果表明，在節點(diǎn)通信范圍內，節點(diǎn)收發(fā)的成功率和正確率均達到了100％。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；IEEE 802．15．4；CC2530；CSMA-CA

引言
基于IEEE 802．15．4的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Network，WSN)是綜合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，采用大量的節點(diǎn)覆蓋監測區域，形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò )系統，目前已在自動(dòng)控制、環(huán)境監測等領(lǐng)域得到廣泛的應用。在對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )MAC層深入研究的基礎上，結合TI公司SoC芯片CC2530，實(shí)現了節點(diǎn)間的點(diǎn)對點(diǎn)通信功能，為研究上層協(xié)議打下了基礎。

1 CC2530芯片簡(jiǎn)介
CC2530是TI公司針對2．4 GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBee／IEEE 802．15．4協(xié)議的片上集成芯片。其內部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051MCU內核、256 KB Flash ROM和8 KB RAM。其主要特性：具有2個(gè)USART、8位和16位定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、8路輸入可配置的12位ADC、21個(gè)GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、數字化的RSSI／LQI和強大的DMA功能，具備電池監測和溫度感測功能；支持5種工作模式，且轉換時(shí)間短，可以較好地滿(mǎn)足超低功耗系統的要求；在接收和發(fā)送模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA。由于其硬件設計簡(jiǎn)單，封裝小，功耗低，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中得到了越來(lái)越廣泛的應用。

2 CSMA-CA機制
IEEE 802．15．4協(xié)議中采用CSMA-CA機制來(lái)避免數據沖突。根據是否采用信標，網(wǎng)絡(luò )分為非信標網(wǎng)絡(luò )和信標網(wǎng)絡(luò )兩種。非信標模式下，節點(diǎn)使用CSMA-CA機制競爭信道：節點(diǎn)隨機退避一段時(shí)間，執行CCA(空閑信道評估)，若信道IDLE則傳送數據，若信道BUSY則重新等待一段隨機時(shí)間后執行CCA。
在信標網(wǎng)絡(luò )中，將超幀劃分了16個(gè)時(shí)隙，因此執行的退避時(shí)間都是以時(shí)隙為單位，CCA在退避周期的邊界處開(kāi)始執行。圖1是IEEE 802． 15．4標準規定的CSMA-CA算法流程。

每個(gè)節點(diǎn)在每次嘗試傳輸時(shí)都需要維護3個(gè)變量：后退次數NB、競爭窗口CW和后退指數BE。變量NB是嘗試當前幀發(fā)送過(guò)程中CSMA-CA算法執行隨機退避的次數，每個(gè)新的傳輸嘗試之前NB應初始化為0。在IEEE802．15．4中，定義NB的最大值為4，如果節點(diǎn)經(jīng)過(guò)4次信道忙碌退避后仍然無(wú)法接入進(jìn)行數據傳送，則放棄數據傳送，并向上層報告。變量CW是競爭窗口的長(cháng)度，它表示允許發(fā)送前要求信道連續空閑的時(shí)間，只用于時(shí)隙CSMA-CA算法，可以給處理器處理不同時(shí)隙留有時(shí)間保護帶，以免數據幀沖突。BE值的大小影響節點(diǎn)接入信道的能力，若設置得過(guò)小，起不到降低沖突的作用；設置得過(guò)大，延時(shí)作用不明顯。IEEE 802．15．4推薦的默認值為3，最大值為5。當BE設為0時(shí)，則只進(jìn)行一次碰撞檢測。