CC2430的无线传感器网络的实现

2 无线传感器网络的实现

针对无线传感器网络的特点，世界各大芯片厂商提供了各种硬件及软件解决方案。传感器网络节点是一个微型的嵌入式系统，构成了无线传感器网络的基础平台。目前，国内外出现了多种传感器网络节点的设计实现方法，他们在原理上是相似的，只是采用不同的微处理器或者不同的通信协议，比如采用自定义协议、802.11协议、ZigBee协议、蓝牙技术以及UWB通信方式等。其中，ZigBee是新兴的具有自组网功能的Ad-Hoc网络，是一种近距离、低复杂度、低数据速率、低功耗、低成本的双向无线通信技术。ZigBee的技术特性决定他是无线传感器网络的最好解决方案。

ZigBee联盟成立于2001年8月，目前其成员已经超过200余家。2004年12月，ZigBee联盟制定了ZigBeeSpecification V1.0，并于2006年11月推出ZigBee-ProSpecification增强版。ZigBee联盟日前批准在最初的规范中增加功能更强和更具灵活性的ZigBee PRO框架堆栈，其增强功能特别体现在易用性和对大型网络的支持方面。"ZigBee 2007"版本，将整合2006年发布的标准功能组和ZigBee PRO。其中，新的ZigBee PRO将最大程度地增强ZigBee的所有功能，并提高易用性和对大型网络的支持。另外，目前ZigBee联盟在最初规范的基础上增加了网络可伸缩性，分解片段功能，即分解较长消息以及实现与其他协议和系统交互的能力，频率捷变功能和设备自动寻址管理能力等。ZigBee标准在ZigBee联盟的推动下，正日趋增强和完善。世界各大知名芯片提供商纷纷推出ZigBee芯片和各自的ZigBee协议栈。如TI公司的针对ZigBee技术的CC2420，CC2430，CC2431芯片系列及Figure 8Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈，FreeScale公司的MC13192，MC13213，MC1322X芯片系列及BeeStack协议栈。另外，Ember，Jennic和Microchip等公司也纷纷推出了各自的ZigBee解决方案。

ZigBee技术采用IEEE 802.15.4-2003标准制定的物理层和媒体接入控制层作为ZigBee的物理层和媒体接入控制层，ZigBee联盟在此基础上规定了网络层和应用层框架；ZigBee技术具备强大的设备互联功能，他支持星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇状结构(Tree)三种主要的自组织无线网络类型，特别是网状结构，他具有很强的网络健壮性和系统可靠性。根据IEEE 802.15.4规范，ZigBee采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectr-um)技术，可以工作在3个频段，分别是欧洲的868 MHz频段、美国的915 MHz频段和全球范围的2.4 GHz频段，媒体接入控制层采用载波检测多址接入冲突避免机制作为信道访问方式和完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。网络层规定加入和离开网络的机制，路径发现及维护功能，实现对一跳邻居设备的发现和相关节点信息的存储功能，即ZigBee的自组网功能。在应用层中加入传感器数据采集及管理功能，就可以搭建一个完整的无线传感器网络。本文搭建的无线传感器网络的ZigBee部分是采用TI公司的CC2430芯片以及Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack协议栈来实现的。

CC2430是首款符合ZigBee标准的2.4 GHz系统单芯片(System On Chip，SOC)，适用于各种ZigBee或类似ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端节点，芯片延用了以往CC2420的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)收发器、内存和微控制器，在休眠模式时，整个芯片的流耗小于0.9μA，集成了定时器等大量的片上资源。Figure 8 Wireless ZigBee Protocol Stack是业内最具盛名的协议栈之一。

虽然ZigBee技术是实现无线传感器网络的理想解决方案，但在实际的工程应用中也有他不足的一面。ZigBee在全球范围内使用的频率是2.4 GHz，属于微波范畴，特点是频率高、波长短、直线传播，在传播方向上几乎绕不开障碍物，再加上ZigBee节点的射频发射功率非常低，这就导致，ZigBee无线信号的穿透障碍物能力非常有限。虽然可以通过增加布置ZigBee路由节点来绕开障碍物，但这将会增加网络的容量以及网络的成本，而且有的场合是不允许再布置一个网络节点的。因此，本文提出2.4 GHz的ZigBee技术和433 MHz的射频技术相结合的无线传感器网络实现方案。

作者：吴光荣，章剑雄   来源：中电网