基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现

作者:未知

  摘 要:无线传感网络不仅能够为智能实验室的通信提供技术支持,还能够通过Zigbee技术,使智能实验室系统实现对各传感器、探测器设备的管控与监测,从而大大提高了实验室智能管理系统的功能。本设计主要为基于CC2530的无线传感网络,无线传感网络的形状为网状结构,使用了CC2530芯片、CC2591等硬件,然后在构建起硬件的基础之上,使用串口测试工具对所建立的网络进行了测试。
  关键词:CC2530;无线传感网络;Zigbee技术;传感器;Zigbee协调器
  1 无线通信技术的选用
  在本研究中的无线传感网络上,在综合考虑了集中当下较为热门的短距离通信技术后,认为Zigbee技术是适用于无线传感网络的最佳选择。在功耗方面,Zigbee技术相比较Wi-Fi与IrDA技术,其功耗较低,所需耗能较少。在功能上,Zigbee技术能够连接的节点数量最多,远远超出其他几种技术的总和。传输范围上,与Wi-Fi技术相似,能够覆盖,1-100米的范围,实现1-100米范围内的无线双向通信。而在最为重要的数据传输方面,Zigbee技术能够支持每秒钟250K的传输速率,这一传输速率对于没有大型数据交互的智能实验室来说是足够的,因而可以选用Zigbee技术。
  2 硬件方面的设计
  CC2530芯片的是一种体积较小、但功能强大的处理芯片,能够兼容Zigbee技术技术是其作为本设计选择的主要原因。从网络上来看,CC2530芯片集成了众多网络协议,不仅有IEEE 802.15.4协议,还集成了应用日渐广泛的Zigbee协议。得益于众多网络协议的继承,CC2530芯片能够具备良好的网络适应功能。在本研究中的基于CC2530之上,運用Zigbee技术所组建的无线传感网络,考虑到智能实验室内各类设备较多,有时在开展大型试验时,需要与其他实验室进行互动,因而对基于CC2530的无线传感网络,在发射频率上有一定的要求,为了保障无线传感网络通信功能的正常,需要增强无线传感网络的信号发射频率,因此选用了具备扩大通信系统信号传输距离的CC2591芯片。CC2591射频芯片的体积很小,可以集成在传感器节点之上,且发射功率较低,仅为4.5分贝毫瓦,符合本设计节能的要求。
  3 无线传感网络的设计与实现
  3.1 Zigbee协议栈
  从Zigbee技术的结构上来看,可以分为应用层和网络层两个层次,其中应用层侧重于无线传感网络的管理方面,网络层侧重于无线传感网络的网络通信方面。其中网络层中的MAC层、NWK层等都建立在Zigbee协议栈之上,需要使用基于Zigbee的协议栈,因而本设计选用了Z-Stack-2.4.0-1.4.0。Z-Stack-2.4.0-1.4.0协议栈的APP层是无线传感网络各应用存放数据的场所;HAL层则记录无线传感网络的各类硬件信息;MAC层主要是负责无线传感网络中与MAC参数相关的文件。
  3.2 Zigbee软件开发环境
  EW是一款出色的嵌入式开发工具,所占用的资源较少,适合CC2530芯片的操作,因而从性能上来说是足够的。从功能上来看,EW熊开发工具具有强大的兼容性,能够兼容C语言、C++等常见编程语言,且EW的编辑器功能丰富,能够随着编程语言的增多,而富于EW更多的管理功能。
  4 ZigBee网状网络结构的实现
  4.1 ZigBee分布式网络的实现
  在ZigBee网状网络上,本设计主要采用了分布式的传感网络。在本设计中,ZigBee分布式网络采用了总-分结构设计,即依托智能实验室的中央处理系统,与ZigBee协调器直接连接,ZigBee协调器再与路由器节点进行连接,路由器节点再根据分布位置的不同,与周围的若干个传感器节点连接。在建立起总分结构以后,ZigBee协调器的主要作用在于向智能实验室的管理系统传输数据、发送命令。路由器是分级的结构,主要负责管理各个传感器,而传感器则是具体的工作设备,依托各种型号的传感器,对智能实验室进行实时监测,并收集智能实验室内的各项信息,在监测到异常事件信息后,便通过路由器节点,将其传递到ZigBee协调器。
  4.2 ZigBee协调器组网
  为了能够实现ZigBee协调器组网工作,主要是处理好ZigBee协调器、路由器节点、传感器节点的组网工作。首先在ZigBee协调器组网上,可使用无线传感网络的设备,向ZigBee协调器发送入网请求,以检测ZigBee协调器是否有反应,以及判断接入点的IP位置,确定是哪个传感器节点发送的入网请求。对于ZigBee协调器的网络信道,要选择合适的信道,具体而言信道要与周边网络的信道来确定,以避免网络信道的干扰问题。在路由器节点的组网上,在启动路由器以后,路由器会自动连接到ZigBee协调器之上,但是这时的网络还没有连通。在通过ZigBee协调器对路由器节点进行授权以后,本设计中有三个路由器节点,则要分别为这三个路由器节点分配IP地址、MAC地址、DNS等信息,才能够使路由器节点接入到ZigBee协调器之中。传感器节点与路由器节点的连通较为简单,一般只要传感器节点支持ZigBee技术,便可以与路由器节点实现直接的连通。考虑到本设计中应用的传感器节点较多,因而在传感器节点的连通上,要通过组网验证的方式来完成。
  5 结语
  在本文的研究中,通过基于CC2530芯片设计了使用ZigBee技术的无线传感网络,该无线传感网络能够连接智能实验室内的传感器节点,并实现对各传感器节点的控制,大大提高了通信的效率,有助于推动智能实验室内各项工作的深入开展。
  参考文献:
  [1]王宇楠.基于物联网的仓库监控系统的研究与设计[D].福州大学,2016,6.
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