基于CC2530的Zigbee無線傳感網絡的設計與實現
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摘 要：無線傳感網絡不僅能夠為智能實驗室的通信提供技術支持，還能夠通過Zigbee技術，使智能實驗室系統實現對各傳感器、探測器設備的管控與監測，從而大大提高了實驗室智能管理系統的功能。本設計主要為基于CC2530的無線傳感網絡，無線傳感網絡的形狀為網狀結構，使用了CC2530芯片、CC2591等硬件，然后在構建起硬件的基礎之上，使用串口測試工具對所建立的網絡進行了測試。
關鍵詞：CC2530;無線傳感網絡;Zigbee技術;傳感器;Zigbee協調器
1 無線通信技術的選用
在本研究中的無線傳感網絡上，在綜合考慮了集中當下較為熱門的短距離通信技術后，認為Zigbee技術是適用于無線傳感網絡的最佳選擇。在功耗方面，Zigbee技術相比較Wi-Fi與IrDA技術，其功耗較低，所需耗能較少。在功能上，Zigbee技術能夠連接的節點數量最多，遠遠超出其他幾種技術的總和。傳輸范圍上，與Wi-Fi技術相似，能夠覆蓋，1-100米的范圍，實現1-100米范圍內的無線雙向通信。而在最為重要的數據傳輸方面，Zigbee技術能夠支持每秒鐘250K的傳輸速率，這一傳輸速率對于沒有大型數據交互的智能實驗室來說是足夠的，因而可以選用Zigbee技術。
2 硬件方面的設計
CC2530芯片的是一種體積較小、但功能強大的處理芯片，能夠兼容Zigbee技術技術是其作為本設計選擇的主要原因。從網絡上來看，CC2530芯片集成了眾多網絡協議，不僅有IEEE 802.15.4協議，還集成了應用日漸廣泛的Zigbee協議。得益于眾多網絡協議的繼承，CC2530芯片能夠具備良好的網絡適應功能。在本研究中的基于CC2530之上，運用Zigbee技術所組建的無線傳感網絡，考慮到智能實驗室內各類設備較多，有時在開展大型試驗時，需要與其他實驗室進行互動，因而對基于CC2530的無線傳感網絡，在發射頻率上有一定的要求，為了保障無線傳感網絡通信功能的正常，需要增強無線傳感網絡的信號發射頻率，因此選用了具備擴大通信系統信號傳輸距離的CC2591芯片。CC2591射頻芯片的體積很小，可以集成在傳感器節點之上，且發射功率較低，僅為4.5分貝毫瓦，符合本設計節能的要求。
3 無線傳感網絡的設計與實現
3.1 Zigbee協議棧
從Zigbee技術的結構上來看，可以分為應用層和網絡層兩個層次，其中應用層側重于無線傳感網絡的管理方面，網絡層側重于無線傳感網絡的網絡通信方面。其中網絡層中的MAC層、NWK層等都建立在Zigbee協議棧之上，需要使用基于Zigbee的協議棧，因而本設計選用了Z-Stack-2.4.0-1.4.0。Z-Stack-2.4.0-1.4.0協議棧的APP層是無線傳感網絡各應用存放數據的場所;HAL層則記錄無線傳感網絡的各類硬件信息;MAC層主要是負責無線傳感網絡中與MAC參數相關的文件。
3.2 Zigbee軟件開發環境
EW是一款出色的嵌入式開發工具，所占用的資源較少，適合CC2530芯片的操作，因而從性能上來說是足夠的。從功能上來看，EW熊開發工具具有強大的兼容性，能夠兼容C語言、C++等常見編程語言，且EW的編輯器功能豐富，能夠隨著編程語言的增多，而富于EW更多的管理功能。
4 ZigBee網狀網絡結構的實現
4.1 ZigBee分布式網絡的實現
在ZigBee網狀網絡上，本設計主要采用了分布式的傳感網絡。在本設計中，ZigBee分布式網絡采用了總-分結構設計，即依托智能實驗室的中央處理系統，與ZigBee協調器直接連接，ZigBee協調器再與路由器節點進行連接，路由器節點再根據分布位置的不同，與周圍的若干個傳感器節點連接。在建立起總分結構以后，ZigBee協調器的主要作用在于向智能實驗室的管理系統傳輸數據、發送命令。路由器是分級的結構，主要負責管理各個傳感器，而傳感器則是具體的工作設備，依托各種型號的傳感器，對智能實驗室進行實時監測，并收集智能實驗室內的各項信息，在監測到異常事件信息后，便通過路由器節點，將其傳遞到ZigBee協調器。
4.2 ZigBee協調器組網
為了能夠實現ZigBee協調器組網工作，主要是處理好ZigBee協調器、路由器節點、傳感器節點的組網工作。首先在ZigBee協調器組網上，可使用無線傳感網絡的設備，向ZigBee協調器發送入網請求，以檢測ZigBee協調器是否有反應，以及判斷接入點的IP位置，確定是哪個傳感器節點發送的入網請求。對于ZigBee協調器的網絡信道，要選擇合適的信道，具體而言信道要與周邊網絡的信道來確定，以避免網絡信道的干擾問題。在路由器節點的組網上，在啟動路由器以后，路由器會自動連接到ZigBee協調器之上，但是這時的網絡還沒有連通。在通過ZigBee協調器對路由器節點進行授權以后，本設計中有三個路由器節點，則要分別為這三個路由器節點分配IP地址、MAC地址、DNS等信息，才能夠使路由器節點接入到ZigBee協調器之中。傳感器節點與路由器節點的連通較為簡單，一般只要傳感器節點支持ZigBee技術，便可以與路由器節點實現直接的連通。考慮到本設計中應用的傳感器節點較多，因而在傳感器節點的連通上，要通過組網驗證的方式來完成。
5 結語
在本文的研究中，通過基于CC2530芯片設計了使用ZigBee技術的無線傳感網絡，該無線傳感網絡能夠連接智能實驗室內的傳感器節點，并實現對各傳感器節點的控制，大大提高了通信的效率，有助于推動智能實驗室內各項工作的深入開展。
參考文獻：
[1]王宇楠.基于物聯網的倉庫監控系統的研究與設計[D].福州大學，2016，6.
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