CC2430和ZigBee2006協(xié)議棧的通信模塊設(shè)計(jì)

CC2430和ZigBee2006協(xié)議棧的通信模塊設(shè)計(jì)

摘要：介紹了CC2430芯片的基本特性和ZigBee2006協(xié)議棧的基本內(nèi)容。論述了以CC22430芯片為核心的無線通信模塊的硬件設(shè)計(jì)，和以ZigB-ee2006協(xié)議棧為基礎(chǔ)的軟件設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)短距離多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的無線通信的同時(shí)，使用串口實(shí)現(xiàn)無線通信模塊與終端采集部分和本地控制部分的數(shù)據(jù)傳輸。

引言
    隨著微電子技術(shù)、汁算技術(shù)和無線通信等技術(shù)的進(jìn)步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并對(duì)其進(jìn)行處理。傳感器節(jié)點(diǎn)是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單位，是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)平臺(tái)。
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE 802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它具有功耗低、成本低、安全、工作頻段靈活等優(yōu)點(diǎn)，通過和傳感器組成無線傳感器ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。

1 CC2430及ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)
    CC2430是真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案，能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2．4 GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它結(jié)合了高性能的2．4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和1顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。CC22430在單個(gè)片上集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個(gè)8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB的編程閃存和8 KB的RAM，還包含模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器(TImer)、AES128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器(watchdog TImer)、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I／0引腳。CC2430的8051內(nèi)核的目標(biāo)代碼兼容標(biāo)準(zhǔn)8051微處理器，可以使用標(biāo)準(zhǔn)8051的匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。其21個(gè)可編程I／O引腳均可以通過軟件設(shè)定1組SFR寄存器的位和字節(jié)，使這些引腳作為通常的I／O口或者作為接ADC、定時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I／O口使用。
    ZigBee協(xié)議棧由一組子層構(gòu)成，每層為其上層提供一組特定的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)(SAP)為上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供一系列的基本服務(wù)指令來完成相應(yīng)的功能。ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制子層(MAC)；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層(APL)框架的設(shè)計(jì)。

    ZigBee協(xié)議棧于2004年發(fā)布第1版，稱為ZigBee2004。ZigBee2004是全源代碼的協(xié)議棧，這個(gè)協(xié)議棧已經(jīng)有了網(wǎng)絡(luò)的概念，并能完成一些簡(jiǎn)單的通信。但它只能組建串狀網(wǎng)絡(luò)和星狀網(wǎng)絡(luò)，如果需要組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)必須外加程序，另外在安全和路由方面也做得不是很理想。ZigB-ee2006協(xié)議棧很好地解決了網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問題，整個(gè)協(xié)議棧的安全性更好，層次性更強(qiáng)，功耗方面也有了進(jìn)步，并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。在ZigBee-2006協(xié)議棧中已經(jīng)將CC2430的底層驅(qū)動(dòng)全部固化在協(xié)議棧中，可以直接調(diào)用。

    綜上所述，選用CC2430芯片作為無線通信模塊硬件核心芯片，軟件部分選用ZigBee2006協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)無線模塊之間的通信功能。

2 硬件設(shè)計(jì)
    無線通信部分作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)傳輸通道，不僅需要實(shí)現(xiàn)無線通信模塊之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，同時(shí)還需要提供數(shù)據(jù)接口與終端數(shù)據(jù)采集部分及本地主控制系統(tǒng)以進(jìn)行連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    圖3所示為無線模塊硬件原理圖。電路選用CC2430芯片作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的核心CPU。選用1個(gè)32．768 kHz的石英諧振器(X2)和2個(gè)電容(C441和C431)組成32．768 kHz的晶振電路；選用1個(gè)32 MHz的石英諧振器(X1)和2個(gè)電容(C191和C211)組成32 MHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器可為所有要求1．8 V電壓的內(nèi)部電源供電，電容C241和C421是用來作為電源濾波的去耦合電容，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。電路中J1是10引腳JTAG仿真器接口，J2是3．3 V電源接口，J3是CC2430芯片擴(kuò)展輸出口，在擴(kuò)展輸出口上主要預(yù)留了SPI口和整個(gè)PO I／O口。設(shè)計(jì)了2個(gè)發(fā)光二極管指示燈，作為電路調(diào)試指示燈。使用1個(gè)非平衡天線，為了使天線性能更好，在天線與CC2430之間連接了1個(gè)非平衡變壓器。非平衡變壓器由電容C341和電感L321、L331、L341以及1個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Ω)的要求。

3 協(xié)議棧軟件設(shè)計(jì)
    軟件開發(fā)的軟件環(huán)境：IAR 7．30B、數(shù)據(jù)分析儀、串口調(diào)試工具以及各硬件驅(qū)動(dòng)軟件等；硬件環(huán)境：計(jì)算機(jī)、CC2430開發(fā)板等。
    系統(tǒng)軟件基于TI／Chipcon公司免費(fèi)提供的ZigBee2006協(xié)議棧，以ZStack-1．4．3-1．2．1版本中GenericApp例程為基礎(chǔ)。GenericApp例子基本功能很齊全，而且在ZStack上實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。例程沒有多余的功能，所以是典型的ZStack模板，即為用戶提供了一個(gè)通用模板，可以通過它建立自己的應(yīng)用程序。因此，建立一個(gè)項(xiàng)目的方法主要是改動(dòng)應(yīng)用層(APP)程序。
    無線通信模塊通過串口分別實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)采集部分及本地主控制部分的連接。因此，應(yīng)用層軟件主要功能是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的收發(fā)和無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。在ZStack程序中嵌入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用于統(tǒng)一調(diào)度網(wǎng)絡(luò)組建、節(jié)點(diǎn)加入、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能運(yùn)行。其工作機(jī)制主要是多任務(wù)事件運(yùn)行機(jī)制，對(duì)于同一個(gè)任務(wù)可能有多種事件發(fā)生，需要執(zhí)行不同的事件處理。為了方便，對(duì)于每個(gè)任務(wù)的事件處理函數(shù)都統(tǒng)一在一個(gè)事件處理函數(shù)中實(shí)現(xiàn)，然后根據(jù)任務(wù)ID號(hào)(task id)和該任務(wù)的具體事件(event)調(diào)用某個(gè)任務(wù)的事件處理函數(shù)。進(jìn)入該任務(wù)的事件處理函數(shù)之后，再根據(jù)event來判別是該任務(wù)的哪一種事件發(fā)生，進(jìn)而執(zhí)行相應(yīng)的事件處理。任務(wù)處理部分具體流程如圖4所示。

    下面詳細(xì)介紹串口部分和無線接收、發(fā)送部分程序。

3．1 串口部分程序
    (1)串口初始化
    主要是設(shè)置halUARTCfg_t結(jié)構(gòu)體成員值：

    通過對(duì)halUARTCfg_t賦值，可以設(shè)置波特率、字符數(shù)、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗(yàn)位和硬件流控等。其中call-BackFunc是自定義設(shè)置串口回調(diào)函數(shù)，即一旦串口有數(shù)據(jù)傳送，OSAL會(huì)就自動(dòng)轉(zhuǎn)到自定義的回調(diào)函數(shù)，執(zhí)行自定義的操作。
    (2)串口回調(diào)函數(shù)
    首先調(diào)用Hal_UART_RxBufLen(uint8 port)函數(shù)確定串口數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，然后再調(diào)用HalUARTRead(uint8 port，uint8*buf，uintl6 len)讀取串口數(shù)據(jù)到自定義的串口數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并調(diào)用osal_set_event(byte task_id，UINTl6 event_flag)函數(shù)發(fā)送事件信號(hào)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。
3．2 無線接收、發(fā)送部分程序
    (1)無線接收
    當(dāng)有數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送到應(yīng)用層時(shí)，應(yīng)用層會(huì)發(fā)送1個(gè)AE_INCOMING_MSG_CMD消息事件。
case AF_INCOMING_MSG_CMD：
    GenericApp_MessageMSGCB(MSGpkt)；
    break：
    這里表示收到AF_INCOMING_MSG_CMD消息事件，然后調(diào)用收到消息事件的信息處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB(MSGpkt)，開始接收數(shù)據(jù)并通過涮用串口HalUARTWrite(uint8 port，uint8*buf，uintl6 len)寫函數(shù)發(fā)送接收到的數(shù)據(jù)。
    (2)無線發(fā)送
    在串口回調(diào)函數(shù)中當(dāng)串口有數(shù)據(jù)輸入時(shí)，應(yīng)用層會(huì)發(fā)送1個(gè)GENERICAPP_SEND_MSG_EVT消息事件。

    調(diào)用GenericApp_SendThmMessage()數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，具體到TI／Chipcon公司所提供的ZigBee2006協(xié)議棧中即為AF_DataRequest()函數(shù)，具體形式如下：

結(jié)語
    本文以CC2430為主體設(shè)計(jì)了無線通信模塊的硬件，并選用TI／Chipcon公司免費(fèi)提供的ZigBee2006協(xié)議棧作為軟件開發(fā)平臺(tái)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)的硬件節(jié)點(diǎn)基本達(dá)到了項(xiàng)目要求。經(jīng)調(diào)試，串口能夠正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)無線節(jié)點(diǎn)(1個(gè)協(xié)調(diào)器，3個(gè)終端設(shè)備)在50 m左右的通信和數(shù)據(jù)傳輸，并通過計(jì)算機(jī)串口調(diào)試軟件測(cè)試正確。