基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數傳模塊設計

摘要：給出了基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )系統的設計和實(shí)現方法。該無(wú)線(xiàn)數傳網(wǎng)絡(luò )系統基于UART串口通信協(xié)議，工作在無(wú)需申請的2．4GHz ISM頻段，并遵循IEEE 802．15．4／ZigBee協(xié)議，可以在全球范圍內應用而不用擔心與其它ZigBee用戶(hù)的地址相沖突。
關(guān)鍵字：CC2430；ZigBee；串口通信協(xié)議；無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

O 引言
短距離無(wú)線(xiàn)通信標準，如802．11家族、藍牙、IrDA、超寬帶無(wú)線(xiàn)通信、ZigBee等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的基礎是IEEE 802．15．4無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，它是新興的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，是IEEE確定的低速個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(Personal Area Net-work)標準。本文主要采用TI公司的系統級芯片(SOC) CC2430來(lái)研發(fā)符合ZigBee協(xié)議和IEEE802．15．4標準的2．4G ISM頻段的移動(dòng)自組網(wǎng)無(wú)線(xiàn)路由數傳模塊的設計方法。

1 ZigBee無(wú)線(xiàn)通信標準的特點(diǎn)
ZigBee無(wú)線(xiàn)通信標準相對于其他的無(wú)線(xiàn)通信標準具有比較明顯的特點(diǎn)和優(yōu)勢，如極低成本、易實(shí)現、可靠的數據傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等等?，F總結說(shuō)明如下：
◇功耗低：ZigBee的傳輸速率低(10 KB／秒～250 KB／秒)，且發(fā)射功率僅為lmW，同時(shí)由于采用了低功耗模式，故其ZigBee設備非常省電；
◇成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，之后便很快降到了1．5～2．5美元，ZigBee的協(xié)議簡(jiǎn)單而且占用空間小，也降低了開(kāi)發(fā)成本；
◇時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短，典型的搜索設備時(shí)延為30 ms，休眠激活時(shí)延為15 ms，活動(dòng)設備信道接入時(shí)延為15 ms。因此，ZigBee技術(shù)適用于對時(shí)延要求苛刻的無(wú)線(xiàn)控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合)等應用；
◇可靠性：由于采用碰撞避免策略，同時(shí)又為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，因而避開(kāi)了發(fā)送數據的競爭和沖突。MlAC層采用了完全確認的數據傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸出現問(wèn)題，還可重發(fā)，因此，ZigBee技術(shù)十分可靠；
◇安全性：ZigBee提供有基于循環(huán)冗余碼校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，又采用了128位高等加密算法(AES：Advanced Enciyption Standard)，因此，各個(gè)應用可靈活確定其安全屬性。
以上特點(diǎn)中，最關(guān)鍵的是網(wǎng)絡(luò )的可靠性和低功耗。因為在工業(yè)、農業(yè)、車(chē)載電子系統、家用網(wǎng)絡(luò )、醫療傳感器和伺服執行機構等領(lǐng)域中，對于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的要求與人們日常使用的其他設備有很大區別。它通常要求是功耗非常低，而可靠性卻很高。針對功耗和高可靠性這兩方面的要求，ZigBee無(wú)線(xiàn)通信標準都有專(zhuān)門(mén)的設計。這也是ZigBee無(wú)線(xiàn)通信標準最突出和最優(yōu)秀的地方。

2 數傳模塊的具體指標
根據數傳模塊的靈敏度、噪聲系數、選擇性、傳輸延時(shí)、安全等級等各項性能要求，ZigBee模塊的各項技術(shù)指標如下：
◇射頻頻率：2．4GHz；
◇通道數：具有16個(gè)射頻通道2．405～2．485；
◇通訊視距：可靠傳輸距離在100米以上；
◇發(fā)射功率：低功耗型為-25～0 dbm；可調遠距離型為18．5～26 dbm可調；
◇接收靈敏度：低功耗型為-90 dbm；遠距離型為-99 dbm；
◇網(wǎng)絡(luò )拓撲：星狀、樹(shù)狀、網(wǎng)狀；
◇每跳延時(shí)：不大于15 ms；
◇數據安全：采用128-Bit AES加密算法。

3 數傳模塊的系統架構與總體設計
根據對數傳模塊技術(shù)指標的要求，系統的總體設計可分為無(wú)線(xiàn)數傳模塊、測試底板、計算機測試配置軟件等三部分。圖1所示是其系統框圖。該測試系統總共由50個(gè)節點(diǎn)組成，其網(wǎng)絡(luò )拓撲結構為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。50個(gè)節點(diǎn)之間可以互相發(fā)送數據，并可測試其數據通信功能、穩定性及通信距離。其中無(wú)線(xiàn)數傳模塊的設計方案如圖2所示。