zigbee網絡拓撲結構及節(jié)點設計

1、zigbee網絡拓撲結構及節(jié)點設計 作者：葉子21引言基于zigbee技術的無線傳感器網絡適用于網點多、體積小、數據量小，傳 輸可靠、低功耗等場合，在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領域已 取得一席之地1。同時，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善2。從zigbeel.O、 zigbeel.1到目前最新的zigbee2007/pro ，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進對硬件系統(tǒng) 提出了更高的要求3。2設計要求2.1 zigbee網絡結構從網絡結構上看，zigbee網絡有星形，樹形，網狀3種模式，按照網絡節(jié) 點功能劃分可分為終端節(jié)點（ep）、路由器節(jié)點（rp）和協(xié)調器節(jié)點（Cp）3種2。 其組織結構

2、如圖1示。精選范本trfi!丹hNhsf耶f；卄鬧尚-鞠竝_ _X " _ . _. - L _ X . ' 二 E_! 1 = el.ecfans<om 電臺 反燉友圖1 zigbee網絡拓撲結構其中，協(xié)調器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網絡，識別網絡中的設備加入網 絡；路由器節(jié)點支撐網絡鏈路結構，完成數據包的轉發(fā)；終端節(jié)點是網絡的感知者 和執(zhí)行者，負責數據采集和可執(zhí)行的網絡動作2。這就要求zigbee網絡節(jié)點需 扮演終端感知者、網絡支持者、網絡協(xié)調者 3種角色。2所示。從功能上，zigbee節(jié)點應由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源 模塊和其它外設功能模塊組成。其

3、結構如圖2 SAWlCRJS 5t*OVAr©CEC KE.mHUTMS-圖2 zigbee網絡節(jié)點模塊圖其中，包括dma usart模塊、定時器模塊、a/d模塊在內的豐富的外設功 能來滿足網絡對硬件資源的需求，存儲器模塊完成協(xié)議棧的存儲與執(zhí)行，cpu實現數據的運算與處理，mac定時器用于實現網絡同步，使用aes技術對信息進行 加密，無線模塊完成收據的收發(fā)與信息幀控制。2.2 zigbee 網絡節(jié)點設計要求(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的 繞射性能，同時要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4 定義的工作在ism頻段的兩個

4、工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。 體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術較其它無線技術的優(yōu)勢 在于自組網，這就需要布建大規(guī)模的網絡節(jié)點，因此成本問題凸顯出來，有資料 顯示：10$左右的zigbee網絡節(jié)點有較高的性價比。(3)可靠性。與有線傳輸介質相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和 干擾等問題，zigbee網絡是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾 是不可避免的。為保證網絡在有效范圍內建立可靠的傳輸，網絡節(jié)點應選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術。(4)通用性。布建zigbee網絡的最終目的是通過網絡完成各類操作，主要是

5、i/o操作和a/d操作，這就要求網絡節(jié)點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和 終端設備的操作要求。(5)低功耗，支持電池供電。低功耗是 zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒 模式和引入功率控制機制使設備更加省電。典型的 zigbee節(jié)點在使用普通電池 供電的情況下工作12個月以上。zigbee網絡節(jié)點的設計應按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設計和軟件設計。3.1芯片選型zigbee網絡節(jié)點硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線 收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網絡的建立與維護，數據采集與處理，無線數據 收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運行3。在網絡節(jié)點的硬件設計中可以根據 成本

6、與操作可行性等因數選擇不同的的設計方案，本設計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。設計選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符 合ieee 802.15.4 規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案，也是目前眾多 zigbee設備產 品中表現最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下：(1)片內集成增強型高速8051內核處理器，支持代碼預取；256kflash程序 存儲器，支持最新zigbee2007pro協(xié)議;8k數據存儲器；支持硬件調試3。 支持2V-3.6V供電區(qū)間，具有3種電源管理模式：喚醒模式0.2ma、睡 眠模式1ua、中斷模式0.4ua

7、。包括處理器和智能片內外設在內的模塊，具有超 低功耗的特點3。(3)片內集成5通道dma;mac定時器;1個16位、兩個8位普通定時器；32khz 睡眠定時器；電源管理與片內溫度傳感器;8通道12位ad轉換器;看門狗等智能 外設3。高密度集成化電路節(jié)約設計成本。 應用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠程控制系統(tǒng)、zigbee 網絡、家居自動化、照明系統(tǒng)、工業(yè)測控、低功耗 wsn等領域3。CC2530芯片結構如圖3所示。ZEE19 t i圖3 CC2530片內功能模塊圖3.2硬件整體設計在網絡節(jié)點硬件平臺中，CC2530需要實現的功能以及外圍模塊主要有 3個 部

8、分：通過a/d 口控制傳感器模塊進行數據采集；控制無線rf模塊完成數據收發(fā); 通過i/o 口相應主機控制。傳感器采集的數據也可通過 i/o 口與微處理器相連，通過rs232接口可實現網絡節(jié)點與pc機的通信3。外圍硬件電路原理圖如圖4 所示。j-vtoSfr-v*fc*Sf S«IC*VEl-h':-(<!ly.二轉 1= at, * Il三H3D1casjl ttiT* .I'.- *恃1ilL.工 J .hf-.r J.* . L L-: «W 1"el眉五ri*在nn電3 冊i圖4網絡節(jié)點硬件參考電路圖由于CC2530芯片內集成了許多特色

9、功能模塊，因此，其典型的外圍電路也 就非常簡潔。其中，主時鐘晶振米用 32mhz無源晶振以及32.768khz時鐘晶振; 無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網絡，天線使用50歐鞭狀負極性天線，具體的元器件封裝信息參見附表所示。ijHhletAU“milfan H'hwjenUU 'LHli*<«<»rjii ?3*jnji fiiiiOH rm-V附表網絡節(jié)點封裝信息表為了更好提高芯片內部電壓精度，輸入電壓應采用調制后的3.3v穩(wěn)壓電源, 接內部參考電壓的外圍電阻r301精度要在0.5%以上，且選用質量較好的電感、 電容等器件。為了指示網絡

10、節(jié)點的運行狀態(tài)，在硬件設計中加入兩個狀態(tài)指示燈， 使用220歐的限流電阻，分別接在微處理器芯片的 p10、p11 口，用于指示設備 入網、退網等狀態(tài)，方便開發(fā)人員觀察，指示燈為可選電路，可根據需求選擇使 用。CC2530的zigbee網絡節(jié)點pcb設計是硬件設計的關鍵，它同時具備數字電路與 高頻電路的特點。在元件布局盡量緊湊、美觀；在數字信號線走線上做到自然、 平滑;高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨立、避免干擾，并符合天線特性； 節(jié)點接口分布采用ti標準接口形式，結構穩(wěn)固可靠。由于CC2530集無線收發(fā)和 微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路 3，因此pcb的設計要完全適合 無線傳感器網絡應用。本設計中zigbee網絡節(jié)點pcb圖和實物如圖5所示。pcb 板的尺寸為長寬高25mM41mrK 1.6mm接口為11X2雙排插針，間距2.54mm 接口管腳定義為ti的標準接口。圖5通信模塊圖3.4硬件測試經實地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離 120米；最大輸出功率 10dbm;接收靈敏度-97dbm;功耗方面：接收模式24ma發(fā)送模式29ma低功耗模 式