基于CC2430的无线传感器网络的实现

ZigBee技术采用IEEE 802.15.4-2003标准制定的物理层和媒体接入控制层作为ZigBee的物理层和媒体接入控制层，ZigBee联盟在此基础上规定了网络层和应用层框架;ZigBee技术具备强大的设备互联功能，他支持星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇状结构(Tree)三种主要的自组织无线网络类型，特别是网状结构，他具有很强的网络健壮性和系统可靠性。根据IEEE 802.15.4规范，ZigBee采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectr-um)技术，可以工作在3个频段，分别是欧洲的868 MHz频段、美国的915 MHz频段和全球范围的2.4 GHz频段，媒体接入控制层采用载波检测多址接入冲突避免机制作为信道访问方式和完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。网络层规定加入和离开网络的机制，路径发现及维护功能，实现对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储功能，即ZigBee的自组网功能。在应用层中加入传感器数据采集及管理功能，就可以搭建一个完整的无线传感器网络。本文搭建的无线传感器网络的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈来实现的。

　　CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4 GHz系统单芯片(System On Chip，SOC)，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9μA，集成了定时器等大量的片上资源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是业内最具盛名的协议栈之一。

　　虽然ZigBee技术是实现无线传感器网络的理想解决方案，但在实际的工程应用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范围内使用的频率是2.4 GHz，属于微波范畴，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍物，再加上ZigBee节点的射频发射功率非常低，这就导致，ZigBee无线信号的穿透障碍物能力非常有限。虽然可以通过增加布置ZigBee路由节点来绕开障碍物，但这将会增加网络的容量以及网络的成本，而且有的场合是不允许再布置一个网络节点的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技术和433 MHz的射频技术相结合的无线传感器网络实现方案。

　　文中的433 MHz射频部分选用TI公司的CC1100射频芯片。该芯片体积小，功耗低，数据速率支持1.2～500 kb/s的可编程控制，可以工作在915 MHz，868 MHz，433 MHz，315 MHz四个频段，在所有频段提供-30～10 dBm的输出功率。文中CC1100工作在433 MHz的频率上，采用2-FSK调制方式，数据速率为2.4 kb/s，信道间隔为200 kHz。CC1100与单片机CC2430之间采用SPI接口连接。

　　整个无线传感器网络的系统结构如图1所示。椭圆部分内是基于TI公司的最新ZigBee解决方案，即CC2430芯片加Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack实现的ZigBee MESH网。ZigBee网络中包含协调器、路由器和终端节点3种设备，协调器又通过433 MHz射频技术组成一个星型网络，ZigBee网络中的节点可以将采集到的各种数据通过ZigBee网络传输到各自的协调器，协调器将数据汇总后，再通过433 MHz射频技术传送到星型网汇集器，即整个系统的管理节点，然后通过GSM/GPRS技术，将采集数据最终传送到后台管理数据库，后台管理终端也可以下发系统的配置参数，如终端节点的睡眠时间以及数据采集周期等。

　　系统中各种节点的硬件结构如图2所示。图2(a)是433 MHz星型网汇集节点硬件框图，该节点以嵌入式控制器AT91RM9200为主控制器，通过SPI接口，控制CC1100，同时提供GSM/GPRS以及以太网接口用来连接到后台管理数据库。图2(b)是ZigBee网络协调器节点的硬件框图，该节点以CC2430为主控制器，既是ZigBee网络的协调器，同时也是433 MHz射频星型网的子节点。图2(b)、图2(c)分别是ZigBee网络的路由器和终端节点的硬件框图，其中终端节点采用电池供电。

在整个网络系统的设计中，降低功耗是考虑的重中之重。特别是ZigBee网络的终端节点，由于该节点往往分布在环境及其恶劣的区域内，有些区域甚至人员根本无法到达，或者不允许布置过多的电缆，如高压大电流的现场环境，因此一般采用电池供电，而且由于更换电池的不便性，这就要求节点具备非常低的功耗。文中的终端节点设计出于降低功耗的考虑，硬件方面是选择低功耗的芯片CC2430，印刷电路板布线也充分考虑了低功耗的要求;同时在软件协议中加入了休眠机制。

　　3 实验结果

系统各种节点的硬件采用模块化设计，ZigBee模块实物如图3中左边所示，