【正文】 的長(zhǎng)度、競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段包含的時(shí)槽數(shù)等參數(shù)，并通過(guò)超幀開(kāi)始時(shí)發(fā)出的信標(biāo)幀廣播到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。 在超幀的競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段， IEEE 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用帶時(shí)槽的 CSMACA 訪問(wèn)機(jī)制，并且任何通信都必須在競(jìng)爭(zhēng)訪問(wèn)時(shí)段結(jié)束前完成。在非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段，協(xié)調(diào)器根據(jù)上一個(gè)超幀 PAN 網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備申請(qǐng) GTS 的情況，將非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段劃分成若干個(gè) GTS。每個(gè) GTS由若干個(gè)時(shí)槽組成，時(shí)槽數(shù)目在 設(shè)備申請(qǐng) GTS 時(shí)指定。如果申請(qǐng)成功，申請(qǐng)?jiān)O(shè)備就擁有了它指定的時(shí)槽數(shù)目。每個(gè) GTS 中的時(shí)槽都指定分配給了時(shí)槽申請(qǐng)?jiān)O(shè)備，因而不需要競(jìng)爭(zhēng)信道。 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)要求任何通信都必須在自己分配的 GTS 內(nèi)完成。 超幀中規(guī)定非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段必須跟在競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段后面。競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段的功能包括使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自由收發(fā)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)域內(nèi)設(shè)備向協(xié)調(diào)者申請(qǐng) GTS 時(shí)段，加入新設(shè)備到當(dāng)前 PAN 網(wǎng)絡(luò)等。非競(jìng)爭(zhēng)階段由協(xié)調(diào)者指定的設(shè)備發(fā)送或者接收數(shù)據(jù)包。如果某個(gè)設(shè)備在非競(jìng)爭(zhēng)時(shí)段一直處在接收狀態(tài)，那么擁有 GTS 使用權(quán)的設(shè)備就可以在 GTS 階段直接向該設(shè)備發(fā)送 信息。 （ 2） 數(shù)據(jù)傳輸模式 LRWPAN 網(wǎng)絡(luò)中存在著三種數(shù)據(jù)傳輸方式：數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器發(fā)出、對(duì)等數(shù)據(jù)傳送。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中只存在前兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，因?yàn)閿?shù)據(jù)只在協(xié)調(diào)器和設(shè)備之間交換；而在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中，三種數(shù)據(jù)傳輸方式都存在。 模式一： 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 在信標(biāo)和非信標(biāo)模式下，主要區(qū)別是器件是否先要從協(xié)調(diào)器獲得信標(biāo)，接著利用帶時(shí)槽的 CSMA/CA 來(lái)傳送資料。其工作的原理如圖 19。 圖 19 數(shù)據(jù)傳送到協(xié)調(diào)器 基于 CC2530 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計(jì) 22 模式二： 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 在信標(biāo)使能方式中，協(xié)調(diào)器會(huì)利用信標(biāo)中的字段來(lái)告知有資料要傳 送。 而網(wǎng)絡(luò)終端則會(huì)周期性的監(jiān)聽(tīng)信標(biāo)，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對(duì)象，則該器件利用開(kāi)槽 CSMA/CA 將MAC 命令請(qǐng)求控制信息傳給協(xié)調(diào)器。在非信標(biāo)使能方式中，終端器件利用無(wú)槽CSMA/CA 將 MAC 命令請(qǐng)求控制信息給協(xié)調(diào)器，若協(xié)調(diào)器有數(shù)據(jù)要傳送，也是利用無(wú)槽 CSMA/CA 方式將資料傳出。 流程圖如下圖 20。 圖 20 數(shù)據(jù)從協(xié)調(diào)器傳出 模式三： 對(duì)等數(shù)據(jù)傳送 在對(duì)等的 PAN 中，任一器件可同其射頻范圍內(nèi)的其它器件通信。預(yù)通信的器件只有定時(shí)接收和彼此完全同步兩種狀態(tài)。 （ 3） MAC 層幀結(jié)構(gòu) MAC 層幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是用最簡(jiǎn)單 方法實(shí)現(xiàn)在多噪聲無(wú)線信道環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。每個(gè) MAC 子層的幀都由幀頭、負(fù)載和幀尾三部分組成。幀頭由幀控制信息、幀序列號(hào)和地址信息組成。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的 16 位 CRC 校驗(yàn)序列。 MAC 子層負(fù)載具有可變長(zhǎng)度，具體內(nèi)容由幀類型決定。 IEEE 網(wǎng)絡(luò)共定義了四種類型的幀：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀和 MAC 命令幀。其中， MAC 命令幀只是在格式上和其他類型的幀的幀控制字段的幀類型位有所不同。幀頭的幀控制字段的幀類型為 011B 就表示這是一個(gè)命令幀。命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。命令幀主要完成三方面 的功能：把設(shè)備關(guān)聯(lián)到 PAN 網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器交換數(shù)據(jù)，分配 GTS，可以用于組建 PAN 網(wǎng)絡(luò)，傳輸同步數(shù)據(jù)等。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成 傳感器數(shù)據(jù)采集模塊模塊主要由各種類型的傳感器和 AD/DC 轉(zhuǎn)換等子模塊構(gòu)成，其主要功能是利用傳感器將各種被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，然后將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換等。處理器模塊是 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算核心，所有的設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)程序都將在這個(gè)模塊的支持下完成。無(wú)線通信模塊根據(jù) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的特性，主要利用 無(wú)線通信協(xié)議的物理層和 MAC 層的技術(shù)。通過(guò)射頻芯片完成信號(hào)的發(fā)射與接收。 基于 CC2530 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計(jì) 23 5 相關(guān)仿真程序編寫(xiě) 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸系統(tǒng)不僅需要各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)等硬件設(shè)備，還要有對(duì)應(yīng)的軟件系統(tǒng)將各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備串聯(lián)在一起，從而完成對(duì) 采集到的數(shù)據(jù)安全發(fā)送。 設(shè)計(jì)模塊的收發(fā)信息工作流程如圖 21 所示 。 圖 21 程序流程 開(kāi)始 初始化電路 開(kāi)啟接收中斷 軟件初始化 外圍模塊采集信息 采集到的是外部信息 發(fā)送數(shù)據(jù)包 點(diǎn)亮第一個(gè) LED 是否成功發(fā)送 結(jié)束 A/D 轉(zhuǎn)換 熄滅第一個(gè)燈 N Y N Y 無(wú)線截獲信息 是否數(shù)字化 N Y 配置電路電源參數(shù) 初始化 LED 顯示，用于指示數(shù)據(jù)的發(fā)送 初始化采集模擬量 初始化通信頻率 設(shè)置發(fā)送端與接收端地址 發(fā)送數(shù)據(jù)包 是否成功發(fā)送 N Y 基于 CC2530 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計(jì) 24 設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)軟件以系統(tǒng)各功能節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了軟件系統(tǒng)包括基于 ZigBee 系統(tǒng)組網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)無(wú)線通信以及數(shù)據(jù)上傳四個(gè)模塊，完成了野外大田環(huán)境參數(shù)從采集 到監(jiān)測(cè)中心的整個(gè)過(guò)程，后面的小節(jié)將對(duì)該系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)兩個(gè)模塊的設(shè)計(jì)予以詳細(xì)的描 述， 由于模塊完成的功能多，每個(gè)功能都離不開(kāi)無(wú)線模塊的接受數(shù)據(jù)與發(fā)送數(shù)據(jù)，那么要提高模塊的傳輸速率，就要寫(xiě)出最簡(jiǎn)單最實(shí)效的程序。 CC2530 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸并顯示在液晶上 CC2530 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸并顯示在液晶上的程序編寫(xiě)分為發(fā)送部分和接 收 部分。 （ 1） 發(fā)送部分 模塊上電每隔一段時(shí)間向地址為 RECEIVE_ADDR = 0x1515的模塊發(fā)送數(shù)據(jù) pTxDa ta[APP_PAYLOAD_LENGTH]，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通過(guò) 修改 APP_PAYLOAD_LENGTH 值來(lái)改變，數(shù)據(jù)值通過(guò)修改 pTxData 數(shù)組里的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，發(fā)送時(shí)間間隔通過(guò)改變延時(shí)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。 液晶顯示本機(jī)的狀態(tài)，發(fā)送的地址和發(fā)送的數(shù)據(jù)。 模塊每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，黃色 LED 顯示狀態(tài)改變一次。（程序見(jiàn) 附錄 2） （ 2） 接 收 部分 模塊上電設(shè)定本機(jī)地址為 RECEIVE_ADDR = 0x1515，當(dāng)檢測(cè)到有其他模塊向本地址發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入到數(shù)據(jù)接收函數(shù)，把數(shù)據(jù)保存在寄存器 Receive_Data_buffer 中，并改變藍(lán)色 LED 的顯示狀態(tài) ,并把接收到的數(shù)據(jù)顯示在液晶上。（程 序見(jiàn)附錄 3） CC2530 一對(duì)多 (多對(duì)一 )無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 CC2530 一對(duì)多 (多對(duì)一 )無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蚓帉?xiě)分為發(fā)送和接 收 兩個(gè)部分。 （ 1） 發(fā)送部分 模塊上電每隔一段時(shí)間向地址為 RECEIVE_ADDR1 = 0x1515， RECEIVE_ADDR2 = 0x1516， RECEIVE_ADDR3 = 0x1517 的三個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)為 pTxDa ta[APP_PAYLOAD_LENGTH]，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通過(guò)修改 APP_PAYLOAD_LENGTH值來(lái)改變，數(shù)據(jù)值通過(guò)修改 pTxData 數(shù)組里的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)，發(fā)送時(shí)間間隔通過(guò)改變延時(shí)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。 模塊每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)，黃色 LED 顯示狀態(tài)改變一次。（程序見(jiàn) 附錄 4） （ 2） 接 收 部分 首先修改模塊的地址 RECEIVE_ADDR，分別設(shè)定地址為 0x1515， 0x1516， 0x1517，然后分別把程序下載到每一個(gè)模塊中并運(yùn)行。 模塊上電自動(dòng)會(huì)設(shè)置好設(shè)定本機(jī)地址， = RECEIVE_ADDR,當(dāng)檢測(cè)到有其他模塊向本地址發(fā)送數(shù)據(jù)，進(jìn)入到數(shù)據(jù)接收函數(shù)，把數(shù)據(jù)保存在寄存器Receive_Data_buffer 中，并改變藍(lán)色 LED 的顯示狀態(tài)。（程序見(jiàn) 附錄 5） 基于 CC2530 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計(jì) 25 6 無(wú)線模塊抗干擾分析和硬件 調(diào)試 整個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)母髂K設(shè)計(jì)完成之后，需要對(duì)各模塊進(jìn)行抗干擾分析。其次，連接個(gè)模塊，對(duì)軟、硬件及各種性能進(jìn)行調(diào)試，以保證模塊能正?？煽康倪\(yùn)行。 無(wú)線傳輸抗干擾分析 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊想要設(shè)置配置好，達(dá)到理想的傳輸狀態(tài)，必須要進(jìn)行抗干擾分析。 （ 1） ZigBee 技術(shù)抗干擾分析 ZigBee 技術(shù)的抗干擾特性主要是指抗同頻干擾，即來(lái)自共用相同頻段的其他技術(shù)的干擾。對(duì)于同頻干擾的抵御能力是極為重要的，因?yàn)樗苯佑绊懙皆O(shè)備的性能。 ZigBee在 頻段內(nèi)具備強(qiáng)抗干擾能力， ZigBee 系統(tǒng)采用的是直序擴(kuò)頻技術(shù) (DSSS)， DSSS采用全頻帶傳送數(shù)據(jù)，使得原來(lái)較高的功率、較窄的頻率變成較寬的低功率頻率，以有效控制噪聲，是一種抗干擾能力極強(qiáng)，保密性，可靠性都很高的通信方式。 （ 2）無(wú)線射頻收發(fā)模塊抗干擾分析 CC2530 射頻電路工作 ～ 高頻率工作頻段，抗干擾設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻部分的性能和整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。合理的布局和布線設(shè)計(jì)及采用多層板既是布線所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。射 頻電路沒(méi)有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供 RF 屏蔽達(dá)到有效抗干擾的目的； CC2530芯片底部應(yīng)該接地，為了降低延遲、減少串?dāng)_，確保高頻信號(hào)的傳輸，要使用多個(gè)接地過(guò)孔將芯片底部和地層相連；盡可能地減少串?dāng)_，減少分布參數(shù)的影響，所有的元器件要盡可能緊密地分布在 CC2530 的周圍，并使用較小封裝。 （ 3）上位機(jī)系統(tǒng)抗干擾分析 由于經(jīng)傳感器采集到的信號(hào)通常帶有某種干擾信號(hào)，通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)。因此，在上位機(jī)系統(tǒng)中需去除干擾信號(hào)，獲得有效的目標(biāo)信號(hào)。通常在上位機(jī)系統(tǒng)利用干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不相關(guān)性 ，對(duì)信號(hào)做數(shù)字相關(guān)處理，去除干擾。 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊調(diào)試 由于設(shè)備的布線較密、線條較細(xì)，特別是芯片和各元器件的引腳密集，因此在檢查之初先不急于通電，而是仔細(xì)檢查線路、器件安裝以及電源情況。器件安裝情況是仔細(xì)檢查各器件管腳 (特別是帶極性的器件 )是否都接對(duì)了；電源是非常重要的，必須在通電前用萬(wàn)用表檢查其是否短路。這些是對(duì)硬件的直觀觀察。 直觀觀察無(wú)問(wèn)題后，就要通電觀察。首先將直流穩(wěn)壓電源調(diào)到要求值，然后再接入電路。此時(shí)要觀察電路有無(wú)異?，F(xiàn)象，如冒煙、有氣味、元器件是否發(fā)燙等。如有異常，馬上斷掉電源，將 故障排除后才能再次通電。 基于 CC2530 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計(jì) 26 在硬件調(diào)試中，可以用示波器在一些關(guān)鍵的信號(hào)線上進(jìn)行觀察波形。特別是在信號(hào)不正常的情況下，可以循著信號(hào)的流向逐步的檢查波形狀況，這樣能較快的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題點(diǎn)。 經(jīng)試驗(yàn)和仿真后，性能良好，符合要求。 對(duì)各模塊軟硬件調(diào)試結(jié)束后，還需要對(duì)它的各種性能進(jìn)行測(cè)試，以保證設(shè)備能夠在無(wú)線工作中安全正常的運(yùn)行。 對(duì)于無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度直接影響著模塊的實(shí)用效率，因此數(shù)據(jù)傳輸率、信號(hào)強(qiáng)度基本誤差的測(cè)試非常重要。同時(shí)，為了保證模塊能夠準(zhǔn)確、安全穩(wěn)定的運(yùn)行，模塊的抗干擾測(cè)試也是必須的?；?CC2530 的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸 模塊 的設(shè)計(jì) 27 結(jié)束語(yǔ) 無(wú)線 數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋澈蟠碇粋€(gè)龐大復(fù)雜的研究系統(tǒng)。而與其相關(guān)的組網(wǎng)方案，作為其中的核心技術(shù)，不僅聯(lián)系眾多、知識(shí)需求量大、邏輯思維要求高，更是一個(gè)需要花費(fèi)大量心血也值得為之付諸努力不斷深入探討的研究方向。 雖然經(jīng)過(guò)反復(fù)的研究、論證和求解，在低耗能無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù) 上， 以 CC2530 為基礎(chǔ)的無(wú)線數(shù)據(jù)組網(wǎng)方案上解決了一些問(wèn)題，但仍有許多方面需要進(jìn)一步思考和摸索。由于時(shí)間和能力有限，本文并未對(duì)算法加以改進(jìn)，暫時(shí)不能更好的保障數(shù)據(jù)包的安全性和數(shù)據(jù)的完整性；也沒(méi)能在使網(wǎng)絡(luò)盡量擴(kuò)展的同時(shí)盡量降低功耗，而不影響現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)建立的功能 。在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性上，此系統(tǒng)也很值得去探尋該系統(tǒng)的抗干擾性與受干擾后的自我修復(fù)功能。在對(duì)協(xié)議棧進(jìn)行研究時(shí)，也沒(méi)有深究某些功能函數(shù)的具體代碼實(shí)現(xiàn)方法等等。這些遺憾，將是未來(lái)從事相關(guān)行業(yè)時(shí)理應(yīng)深入研究的方向。 由于時(shí)間上的限制，本文在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于 CC2530 技術(shù)的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊時(shí)仍然存在很多不盡完善的地方，下面列出需要更深一步研究的幾個(gè)問(wèn)題： （ 1） 安全問(wèn)題：安全問(wèn)題一直是短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)，由于 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊 本身的電源、通信以及處理能力等方面的限制，給短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全設(shè)計(jì)機(jī)制帶來(lái)了許多 新的挑戰(zhàn)。 （ 2） 通信距離：在一個(gè)數(shù)據(jù)采集區(qū)域內(nèi)盡可能的增大節(jié)點(diǎn)之間的通信距離，就可以盡可能的減少系統(tǒng)硬件和軟件成本，增加系統(tǒng)的實(shí)用性。 （ 3） 系統(tǒng)低功耗：如何降低無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功耗一直以來(lái)是業(yè)界認(rèn)為的熱點(diǎn)。 本文主要做了以下工作： 一、 硬件設(shè)計(jì) 首先根據(jù)設(shè)備的基本功能和設(shè)計(jì)要求，確定了 ―CC2530 芯片 +外圍電路 ‖的設(shè)計(jì)方案；以 CC2530 為核心 芯片 ，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以完成 數(shù)據(jù) 傳輸?shù)?模塊 。解決思路采用先進(jìn)、可靠、集成、的開(kāi)發(fā)板，以信息數(shù)字化、硬件平臺(tái)軟件化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，利用微機(jī)原理及接口技術(shù) ，進(jìn)行本次畢業(yè)設(shè)計(jì)?？偟膩?lái)說(shuō)，整個(gè)設(shè)計(jì)采用的器件集成度都很高、功能強(qiáng)大，因此省去了很多外圍器件，簡(jiǎn)化了電路，提高了抗干擾能力，提高了設(shè)備的性價(jià)比。 二、 設(shè)備調(diào)試 各模塊設(shè)計(jì)完成之后，硬件調(diào)試是必不可少的。同時(shí)根據(jù)設(shè)備的性能要求，還做了簡(jiǎn)單的性能測(cè)試，包括電壓測(cè)量、電流基本誤差測(cè)試和抗干擾測(cè)試，測(cè)試結(jié)果基本符合設(shè)備要求?？偟膩?lái)說(shuō)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)軟硬件進(jìn)行綜合考慮，合理搭配，使得設(shè)備不僅性能優(yōu)、可靠性高，還具有在使用過(guò)程中的靈活性好，以及調(diào)試維護(hù)工作量小和經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。 基于 CC25