基于CC2430的ZigBee无线组网技术
时间：2022-09-29 01:45:53
(同济大学 中德学院， 上海200092)
摘要：为了解决无线个人局域网的速率和成本问题，分析了ZigBee无线传感网络的体系结构，给出了以CC2430片上系统芯片为核心的ZigBee无线网络系统的硬件构成以及主节点的软件程序流程。
关键词：ZigBee; CC2430; 硬件; 流程
中图分类号：TP92文献标识码：A
文章编号：20951302(2011)03006602
ZigBee Networking Technology Based on CC2430
ZHANG Yinfei
(German Institute of Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract： In order to solve the problems of rate and cost of wireless personal LAN, this paper analyzes the wireless sensor network ZigBee′s architecture and then presents the SoC on CC2430 as the core hardware of the ZigBee network and finally the software program flowchart of master nodes.
Keywords： ZigBee; CC2430; hardware; flowchart
收稿日期：20110325
0引言
2000年12月，IEEE成立了IEEE 802.15.4工作组。这个工作组主要致力于提供一种廉价的固定、便携或者移动设备使用的低复杂度、低速率、低成本的无线技术。ZigBee正是这种技术的商业命名。IEEE 802.15.4工作组同时为ZigBee技术制定了物理层和MAC层协议，其余协议则主要采用和参照现有的协议标准。其高层应用、测试和市场推广主要由ZigBee联盟负责。
1ZigBee网络技术概述
ZigBee网络协议栈的体系结构是基于标准开放网络互联(OSI)七层协议模型。IEEE 802.15.42003标准定义了较低的两层：物理层(PHY)和媒体接入子层(MAC)，而ZigBee联盟同时定义了网络层(NWK)和应用结构层。ZigBee应用层包括应用子层(APS)、ZigBee设备对象(ZDO)和制造商定义的应用对象。
2ZigBee网络体系结构
ZigBee网络中存在两种功能类型的设备、三种类型节点、三种拓扑结构及两种工作模式。
2.1功能类型
ZigBee网络含全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Function Device)两种功能类型的设备。
2.2节点类型
ZigBee网络包括的三种类型节点为协调器ZC(ZigBee Coordinator)、路由器ZR(ZigBee Router)和终端设备ZE(ZigBee End Device)，其中协调器和路由器均为全功能设备(FFD)，而终端设备则可选用精简功能设备(RFD)。
2.3拓扑结构
ZigBee网络支持树状网(Cluster tree Network)、星状网(Star Network)和网状网(Mesh Network)，图1所示是ZigBee网络所支持的树状网的拓扑结构。
2.4工作模式
ZigBee网络的工作模式分为信标模式和非信标模式。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和休眠，以节省最大的功耗。非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，而ZC和所有ZR设备长期处于工作状态。
3ZigBee网络的硬件构成及工作流程
3.1CC2430片上的系统
CC2430是TI公司的第二代ZigBee平台和真正SoC解决方案。它兼容IEEE 802.15.4标准，并在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430使用1个8位MCU(8051)，具有128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器(Timer)、AESl28协同处理器、看门狗定时器(Watchdog timer)、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power OnReset)、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0.18 μm CMOS工艺生产；在接收和发射模式下，其电流损耗分别低于27 mA和25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用，ZigBee传感器网络节点的结构框图如图2所示。
图1ZigBee的树状网拓扑结构
图2ZigBee传感器网络节点结构框图
[BT3+*3]3.2ZigBee主节点工作流程
ZigBee主节点的工作流程如图3所示。
首先由ZigBee网络中主节点发起信道扫描，经通道能量扫描检测API，选择可用通道并建立WAN，再创建一个与从机相关的信息注册表。注册表内容有从机的ID号、连接状态、是否唤醒等信息。主控节点接入后，先对注册表进行检查，若发现网络中有未分配的ID，则主机发搜索命令，如果有从机回应，则为其分配此ID号，然后由主机切换到工作信道，等待从机发回应答包，若ID号匹配，则分配成功，主机更新注册信息列表。主机可以分别对注册信息列表中的有效ID发送数据请求，以获取传感器(如温度、湿度、烟雾含量等)相关数据信息。若某ID在最大允许通信时间内没有发送应答信息，那么，主机将再次更新该ID的注册信息列表，如果确认与从机失去联系，则将该ID号予以注销。
图3ZigBee主节点工作流程
从机节点上电后，首先监听默认信道，如果收到主机发送的搜索命令，则回应主机，并附上自己的随机码。在收到主机的注册命令后，先对比随机码，若匹配，则切换到工作信道，并使用注册命令中分配的ID号发送应答包，以完成注册。随后传感器采集相关数据，等待主机呼叫传感器的命令，数据发送完成后进入休眠，若一定时间后唤醒，则再次进行数据采集，如此循环，中间采集到的数据量可以通过液晶等方式进行直观的显示，并可以设定刷新时间频率，以实现精确及时的控制。直到主节点发出完成命令，整个过程完成。
4结语
近年来，随着ZigBee技术的日趋成熟，市场对ZigBee产品的应用需求也越来越大。而基于CC2430的ZigBee技术可用于网络平台的工程控制，且其成本低、功能强大、组网灵活，非常符合ZigBee技术的应用特点，因而具有良好的应用前景。
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