基于CC2430的无线通讯网络的研究.docx
《基于CC2430的无线通讯网络的研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于CC2430的无线通讯网络的研究.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于CC2430的无线通讯网络的研究
基于CC2430的无线通讯网络的研究
项目成员：
赵东升、孙文业、赵齐银
指导老师：
朱桂荣
【摘要】Zigbee属于无线无线通讯范畴，是一种新颖的无线通讯技术。
在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中。
zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位功能。
本课题设计了一个基于CC2430芯片基础上的zigbee通信节点，它具有成本低、功耗小，结构简单，通讯可靠等优势，可广泛用于工农业、消费性电子设备、公共呼叫系统等，具有很好的应用前途！
【关键词】：
无线通讯，zigbee，CC2430
目录
第一章绪论…………………………………………………………………3
1.1引言………………………………………………………………………4
1.2Zigbee技术的发展与特点………………………………………………4
1.2.1Zigbee技术特点…………………………………………………4
1.2.2Zigbee的发展过程………………………………………………5
1.2.3研究意义和应用前景………………………………………………6
1.3课题研究目标及特点……………………………………………………6
1.3.1课题研究目标……………………………………………………7
1.3.2课题设计方案………………………………………………………7
1.3.3特色与创新…………………………………………………………7
第二章Zigbee网络协议栈……………………………………………………8
2.1Zigbee的结构……………………………………………………………8
2.2物理层（PHY层）…………………………………………………………10
2.3MAC子层……………………………………………………………………11
2.4网络层……………………………………………………………………12
2.5应用层……………………………………………………………………13
第三章Zigbee节点的硬件设计………………………………………………14
3.1CC2430芯片介绍…………………………………………………………14
3.2Zigbee节点的硬件设计…………………………………………………16
3.3Zigbee节点天线的设计…………………………………………………18
3.3.1Zigbee节点天线的分类……………………………………………18
3.3.2倒F天线的尺寸及PCB板的设计…………………………………20
第四章Zigbee节点的软件设计………………………………………………21
4.1软件设计概述……………………………………………………………21
4.2CC2430初始化函数………………………………………………………22
4.3数据发送函数……………………………………………………………23
4.4数据接受函数……………………………………………………………24
第五章结束语…………………………………………………………………25
参考文献……………………………………………………………………………26
第一章绪论
1.1引言
工业领域在现代化的进程中通过引入各种先进技术，实现了劳动生产率的提高和生产成本的下降。
在这些技术中，最典型的就是数字化技术和现代通信技术。
在现代工业数字化的基础上，工业生产监控早已突破了单回路控制与监视的功能。
随着计算机软硬件技术、网络技术和工业综合自动化系统整合水平的不断发展，对数据接口的开放性、数据传输的实时性、数据连接的安全性等方面提出了更高的要求。
许多大型企业其生产地域分散，业务分工复杂，往往设有一个或者多个控制中心，以及大量的现场数据采集点。
这些采集点因分散而需要通过一定的通信手段来实现与中心控制单元间的数据交互，进而实现生产过程的自动化。
由于传统有线网络本身的局限性，许多特殊环境下的网络覆盖和网络支持仍然是个难题。
比如在某些工业现场，一些工业环境禁止或限制使用电缆，而在其他一些工业环境要求完全把电缆屏蔽起来以高度防止来自大多数工业设施中的机器或其它无线电控制设备的干扰，更有一些高速旋转的设备根本无法通过电缆来传输数据信息。
而无线广域网、无线局域网和无线个人网技术却能有效地提供对这些问题的解决方案。
表一几种无线传输方式的比较
在现有的无线网络技术发展条件下，无线标准增加了灵活性，并降低了集成专利无线通信的风险。
在工控场合的应用条件下，短距离的无线传输尤其受到瞩目。
在最近的几年中，人们不断探索，形成了当今令人眼花缭乱的无线通信协议和产品。
最流行的短距离无线数据通信的标准有蓝牙（Bluetooth）、HomeRF、IrDA以及极具发展潜力、已被众多业界认可的ZigBee（IEEE802.15.4）等。
几种无线传输技术及其比较[1][2]见表一。
Zigbee是一种低成本、低功耗、低速度、多节点、短距离无线通讯技术，它与蓝牙、Wi-Fi等无线通讯不同的是强调低成本、低功耗，架构简单（协议不到蓝牙的1/10），使用免费的2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国）频段，开放的通讯协议，易于形成低成本、低功耗、高性能的无线局域网络，因此在工业控制、安防系统、智能化传感器及宾馆、医院、饭店等公共呼叫系统中具有巨大的应用前景！
相对蓝牙、Wi-Fi等注重高速通讯的系统来说，Zigbee填补了低速率无线通信技术的空缺，与其他标准在应用上几乎无交叉，从而形成了一种优势互补的局面，Zigbee除了进行数据通讯外，还能实现定位功能，因此在矿井等作业区域，对了解人员的数量及分布，具有独特的优势！
1.2Zigbee技术的发展和特点[3][4]
IEEE802．15．4是一种供廉价或移动设备使用的简单、低成本和低功耗的低速率无线连接技术。
Zigbee是这种技术的商业化命名。
Zigbee技术将主要嵌入在消费性电子设备、家庭和建筑物自动化设备、工业控制装置、电脑外设、医用传感器、玩具和游戏机等设备中，支持小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域中。
1.2.1Zigbee的技术特点
1、低功耗。
在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长。
这是ZigBee的突出优势。
2、低成本。
由于大幅简化协议，降低了对通信控制器的要求，且ZigBee议协是免专利费。
3、低速率。
ZigBee工作在250kbps的通讯速率，满足低速率传输数据的应用需求。
4、短时延。
ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms。
5、高容量。
ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
6、近距离。
相邻节点间的传输距离范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，可增加到1~3km。
通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
7、高安全。
ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。
8、免执照频段。
采用直接序列扩频在工业科学医疗2.4GHz（全球）（ISM）频段。
1.2.2Zigbee的发展过程
英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布，他们将组成Zigbee联盟来研发名为“Zigbee”的下一代无线通信标准。
Zigbee一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴，达到交换信息的目的。
可以说是一种小的动物通过简捷的方式实现“无线”的沟通。
人们借此称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。
Zigbee联盟于2002年8月份成立，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司和开发商的加入。
Zigbee是一种近年来才兴起的无线网络通信技术标准，它出现的时间较短，2004年底才由Zigbee联盟发布了1.0版本规范，尚未进入大规模的商业化生产和应用，但是它的上升势头十分明显，已有Chipcon、FREESCALE、CompXs、Ember四家公司在07年年4月通过了Zigbee联盟对其产品所作的测试和兼容性验证。
此外，国际上不少厂商也推出了Zigbee的产品和全套解决方案，如FREESCALE公司发布的低功耗2.45GHz集成射频器件MC13192；Helicomm公司推出的IPLink1200Zigbee开发工具和产品；Chipcon公司推出的高度整合的系统级射频收发器CC2420；可以看出，鉴于巨大的商业契机，一些国际著名的半导体厂商已在积极推出Zigbee产品，有望在今后一段时间通过商业化推进，使Zigbee产品应用得到极大扩展。
在我国同样有很多科技工作者正致力于Zigbee技术的研究与探讨。
1.2.3研究意义和应用前景
此前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网Wi-Fi、蓝牙和一些专用标准（如Adhoc网等）的产品。
以上网络均存在成本高、功耗大（在低耗电待机模式下，Zigbee使用2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长，蓝牙能工作数周、WiFi可工作数小时）、协议复杂（Zigbee协议不到蓝牙的1/10）、节点少（每个ZigBee网络最多可支持255个设备，联接使用最大可支持65000个节点，蓝牙正常情况下可以有效地处理8个设备）等问题，目前很难形成低成本、低功耗通讯网络。
另外Wi-Fi、蓝牙等专注于高速领域的推广，在低速领域尚未有更好的产品涉及，长期以来，低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一直存在着，新兴的ZigBee技术能有效的弥补这个空缺。
在矿井井下监控、工业控制、精细农业、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制、智能化传感器、公共呼叫系统等存在着巨大的应用潜力。
通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用zigbee技术：
1.需要数据采集或监控的网点多。
2.要求传输的数据量不大，二要求设备成本低。
3.要求数据传输可靠性高，安全性好。
4.设备体积小，不便放置较大的充电电池或者电源模块。
5.电池供电。
6.地形复杂，监测点多，需要较大的网络覆盖。
7.现有移动网络的覆盖盲区。
8.使用现存移动网络进行地数据量传输的遥测、遥控系统。
9.使用GPS效果差，或成本太高的局部区域移动目标的定位应用。
…………
1.3本课题的研究目标和内容结构
1.3.1课题研究目标
通过本课题设计，熟悉工程应用中课题的定义、器件的选择、硬件电路原理图及PCB板的绘制。
熟悉基于CC2430的Zigbee无线通讯网络的硬件结构设计，利用仿真器，验证设计结果的正确性。
迄今为止，无线通讯技术已经取得客观的发展，但在目前的实际应用中，该技术并不普及，通过本课题的设计，最终希望Zigbee无线通讯技术在各个领域得以推广和发展。
1.3.2课题设计方案
在项目方案设计中，最关键的是芯片的选择，基于体积最小化、结构最简化、成本最低化的设计原则，我们选择了TI的CC2430这款芯片，其集成了高性能低功耗的8051微控制器核，IEEE802.15.4标准的2.4GHzRF无线电收发机，优良的无线接收灵敏度，强大的抗干扰性，功耗非常低，价格非常低，并且内置了14位模数转换的ADC，所以外围电路极其简单。
CC2430的详细性能见硬件设计部分。
其结构框图见图1-1。
图1-1Zigbee节点结构框图
1.3.3特色与创新
1）该项目属于一种新型通信网络的研究，弥补了短距离、低复杂度、低功耗、低速率应用场合的空缺。
2）开拓了低功耗无线通讯的巨大应用领域，为工、农业生产及民用领域提供了一个新型的通讯手段。
3）低成本，低功耗，高性能是Zigbee的一大特色，解决了蓝牙、Wi-Fi技术在很多场合无法普及的问题。
第二章Zigbee网络协议栈
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，主要用于近距离无线连接。
它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很低的功耗，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，因此它们的通信效率非常高。
ZigBee的基础是IEEE802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE802.15.4（ZigBee）技术标准。
ZigBee不仅只是802.15.4的名字。
IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化。
同时ZigBee联盟还开发了安全层。
2.1Zigbee的结构
ZigBee的协议栈结构是由一些层所构成[7][8][9]。
每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接：
数据实体（dataentity）提供数据的传输服务而管理实体（managemententity）提供所有的别的服务类型。
每个层的服务实体通过服务接入点（serviceaccesspoint，SAP）$n上一层相接。
每个SAP提供了大量的服务方法来完成要求的操作。
ZigBee协议栈是基于标准的OSI七层模型，但只是在相关的范围来定义一些相应层以完成特定的任务。
IEEE802．15．4标准定义了下面的两个层：
物理层（PHY层）和媒介层（MAC层）。
ZigBee联盟在此基础上建立了网络层（NWK层）和应用层（APL层）框架（framework）。
APL层又包括应用支持子层（applicationsupportsub—layer,APS），ZigBee的设备对象（ZigBeedeviceobjects，zDO）以及制造商定义的应用对象。
ZigBee完整的协议栈结构[5][6]如图2-1所示。
图2-1Zigbee协议栈示意图
2.2物理层（PHY层）
主要功能：
物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。
物理层数据服务包括一下五方面的功能：
（1）激活和休眠射频收发器；
（2）信道能量检测（energydetect）；
（3）检测接收数据包的链路质量指示（linkqualityindication，LQL）；
（4）空闲信道评估（clearchannelassessment，CCA）；
（5）收发数据。
工作频段和信道分配：
PHY层定义了三个载波频段用于收发数据。
三个频段总共提供27各信道（channel），信道编号从0到26，868MHz频段1个信道，915MHz频段10个信道，2450MHz频段16个信道。
具体分配如图2-2所示。
图2-2Zigbee各信道划分
信道中心频率如下：
Fc=868.3MH，k=0（1-1）
Fc=906+2（k-1）MHz,k=1,,2…,10（1-2）
Fc=2405+5（k-11）MHz,k=11,12,…,26（1-3）
其中k是信道编号。
PHY层的帧结构：
图2-3描述了IEEE802．15．4标准物理层数理帧结构。
物理帧共分为四个字段，分别是前导码、帧起始分隔符、帧长度和物理帧的负载长度。
其中物理帧的负载长度可变，称之为物理帧服务数据单元（PHYservicedataunit，PSDU），
一般用来承载MAC帧。
图2-3物理帧结构
2.3MAC子层
主要功能：
MAC子层提供两种服务：
MAC层数据服务和MAC层管理服务。
前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。
MAC子层主要功能包括下面六个方面：
（1）协调器产生并发送信标帧，普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步；
（2）支持PAN网络的关联和取消关联操作；
（3）支持无线信道通信安全；
（4）使用CSMA．CA机制访问信道；
（5）支持时槽保障（guaranteedtimeslot，GTS）机制；
（6）支持不同设备的MAC层间可靠传输。
数据传输模型：
MAC规范定义了三种数据传输模型：
设备发送数据给协调器、协调器发送数据给设备、对等设备之间的数据传输。
对于每一种传输模型，有信标使能通信和信标不使能通信两种模式可供选择。
具体的传输过程可以参考文献《无线传感器网络》P119．121。
在数据传输过程中，Zigbee采用了CSMA／CA碰撞避免机制和完全确认的数据传输机制，保证了数据的可靠传输。
同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。
MAC层帧结构：
IEEE802．15．4标准的MAC子层帧结构的设计目标是用最低复杂度实现在多噪声无线信道环境下的可靠数据传输，每个MAC子层的帧都是由帧头、负载和帧尾三部分组成。
MAC层共定义了四种类型的帧：
信标帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧。
四种帧结构的定义和格式可以参考文献《无线传感器网络》P121．124。
本文后面的组网协议的设计也正是参考这里的帧结构。
2.4网络层
ZigBee协议栈的核心部分在网络层。
网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能。
在ZigBee的网络中，支持两种类型的物理设备：
全功能设备和精简功能设备：
1.全功能设备（FFD，FullFunctionDevice）特点：
支持任何拓扑结构；可以成为网络协调器或路由；能和任何设备通信。
2.精简功能设备（RFD，ReducedFunctionDevice）特点：
只用在星型拓扑中；不能成为网络协调器；只能和网络协调器通信；实现非常简单。
ZigBee网络要求至少一个全功能设备作为网络协调器，网络协调器要存储以下的基本信息：
节点设备数据、数据转发表、设备关联表。
终端设备可以是精简设备用来降低系统成本。
网络协调器和网络节点有以下的功能：
1．ZigBee网络协调器：
建立网络；传输网络信标：
管理网络节点；存储网络节点信息；在关联节点之问路由信息。
2.ZigBee网络节点：
为电池供电和节能设计；搜索可用的网络；按需传输数据；向网络协调器请求数据。
所有Zigbee设备均将有一个64bit的IEEE地址，这是一个全球唯一的设备地址，需要得到Zigbee联盟的许可和分配。
在子网内部，可以分配一个16bit的地址作为网内通信地址，以减小数据包的大小。
支持星形（Star）、树形（Cluster-Tree）、网格（Mesh）等多种拓扑结构。
各种结构见图2-4。
图2-4拓扑结构
网络层功能：
1）网络发现；
2）网络形成；
3）允许设备连接；
4）路由器初始化；
5）设备同网络连接；
6）直接将设备同网络连接；
7）断开网络连接；
8）重新复位设备；
9）接收机同步；
10）信息库维护。
2.5应用层
ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。
应用支持层的功能包括：
维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。
所谓绑定就是基于两台设备的服务和需求将它们匹配地连接起来。
ZigBee设备对象的功能包括：
定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。
ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。
ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。
第三章Zigbee节点的硬件设计
3.1CC2430芯片介绍[10]
1）CC2430芯片的主要特点
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。
它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（Power On Reset）、掉电检测电路（Brown out detection），以及21个可编程I/O引脚。
CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。
CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
CC2430芯片的主要特点如下：
◆高性能和低功耗的8051微控制器核。
◆集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机。
◆优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
◆在休眠模式时仅0.9μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统;在待机模式时少于0.6μA的流耗，外部的中断能唤醒系统。
◆硬件支持CSMA/CA功能。
◆较宽的电压范围（2.0～3.6V）。
◆数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能。
◆具有电池监测和温度感测功能。
◆集成了14位模数转换的ADC。
◆集成AES安全协处理器。
◆带有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE802.15.4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器。
◆强大和灵活的开发工具。
2）CC2430芯片的引脚功能
CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装,共有48个引脚。
全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。
（1）I/O端口线引脚功能:
CC2430有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。
通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。
I/O口有下面的关键特性：
◆可设置为通常的I/O口，也可设置为外围I/O口使用。
◆在输入时有上拉和下拉能力。
◆全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。
如果需要外部设备，可对I/O口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
1～6脚（P1_2～P1_7）：
具有4mA输出驱动能力。
8，9脚（P1_0，P1_1）：
具有20mA的驱动能力。
11～18脚（P0_0～P0_7）：
具有4mA输出驱动能力。
43，44，45，46，48脚（P2_4，P2_3，P2_2，P2_1，P2_0）：
具有4mA输出驱动能力。
（2）电源线引脚功能
7脚（DVDD）：
为I/O提供2.0～3.6V工作电压。
20脚（AVDD_SOC）：
为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。
23脚（AVDD_RREG）：
为模拟电路连接2.0～3.6V的电压。
升级会员 