【正文】 F _N26R F _P25AVD D 324X OSC _Q223X OSC _Q122AVD D 521DCOUPL40DVDD139P1_638P1_737P2_036P2_135P2_234P2_3/XOSC32K_Q233P2_4/XOSC32K_Q132AVDD631 圖 31 CC2530引腳描述 表 31 CC2530 部分引腳描述 名稱 序號(hào) 特性 描述 DCOUPL 40 Power(D) ，不使用外部電源供電 DVDD1 39 Power(D) 連接 數(shù)字電壓源 DVDD2 10 Power(D) 連接 數(shù)字電壓源 GND 41 Ground 連接接地面 P0_0 19 數(shù)字 I/O 端口 (ADC0) P0_1 18 數(shù)字 I/O 端口 (ADC1) P0_7 12 數(shù)字 I/O 端口 (ADC7) P1_0 11 數(shù)字 I/O 端口 (具有 20mA驅(qū)動(dòng)能力 /T12) P1_7 37 數(shù)字 I/O 端口 (SPI1MI/UART1RX/T31) P2_0 36 數(shù)字 I/O 端口 (T40) P2_2 34 數(shù)字 I/O 端口 (DC) 普通底板 功能特點(diǎn)： ①供電方式：標(biāo)準(zhǔn) USB、 （ 5V）； . . ②功能接口： Debug接口，兼容 TI標(biāo)準(zhǔn)仿真工具，引出所有 IO口，常用的串口引腳以及5V/； ③功能按鍵： 1個(gè)復(fù)位， 1個(gè)普通按鍵； ④ LED指示燈：電源指示燈、組網(wǎng)指示燈； ⑤ 模塊支持：支持 CC2530核心板 ,CC2530+PA（ CC2591） 核心板。 CC2530可用于 Zigbee協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備，所以也是本文設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)的最理想載體。 CC2530在單個(gè)芯片上集成了 標(biāo)準(zhǔn) RF 無線電收發(fā)機(jī) ,具有優(yōu)良的無線接收靈敏度和抗干擾性。 它結(jié)合了高性能的 DSSS (直接序列擴(kuò)頻 ) 射頻收發(fā)器和一個(gè)高性能低功耗的 8051微控制器 ,適合 用于搭建功能健全價(jià)格低廉的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。自動(dòng)重連距離高達(dá) 110米。網(wǎng)絡(luò)中所有的父節(jié)點(diǎn)需要為自己的子節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)幀，所有子節(jié)點(diǎn)的大多數(shù)時(shí)間都處于休眠狀態(tài)，周期性的醒來與父節(jié)點(diǎn)握手以確認(rèn)自己仍處于網(wǎng)絡(luò)中，并向 . . 父節(jié)點(diǎn)提取數(shù)據(jù)，其從休眠模式轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)傳輸模式一 般只需要 15ms。 在信標(biāo)模式下，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)以一 定的間隔時(shí)間 (一般在 15ms到 4mins之間 )向網(wǎng)絡(luò)廣播信標(biāo)幀，兩個(gè)信標(biāo)幀發(fā)送間隔之間有 16個(gè)相同的時(shí)槽，這些時(shí)槽分為網(wǎng)絡(luò)休眠區(qū)和網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)兩個(gè)部分，消息只能在網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)區(qū)的各個(gè)時(shí)槽內(nèi)發(fā)送。 ZigBee的工作模式 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(biāo) (Beacon)模式和非信標(biāo) (Nonbeacon)模式兩種。 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)除了允許父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間的通信，也允許通信范圍之內(nèi)具有路由能力的父子關(guān)系的鄰居節(jié)點(diǎn)之問進(jìn)行通信，它是樹形網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，與樹形網(wǎng)絡(luò)不同的是，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)，并且具有強(qiáng)大的 自組織、自愈功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過“多級(jí)跳”的方式來通信，可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。 在樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，每一 個(gè)節(jié)點(diǎn)都只能和他的父節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)之間通信，也就是說，當(dāng)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器和終端設(shè)備構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸都要通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问? . . Zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?，分別為星形拓?fù)?、樹形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)?，如圖 27所示。它負(fù)責(zé)發(fā)送和接受節(jié)點(diǎn)自身信息；節(jié)點(diǎn)自身會(huì)轉(zhuǎn)發(fā)信息，允許子節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)。 （ 2）路由器 當(dāng)采用樹型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要用到路由器節(jié)點(diǎn)，它可以加入?yún)f(xié)議。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括協(xié)調(diào)器（ Coordinator），路由器（ Router），終端節(jié)點(diǎn) （ End Device）三部分 。節(jié)點(diǎn)類型是網(wǎng)絡(luò)層的概念，反映了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问健?數(shù)據(jù)服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)，管理服務(wù)接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參 數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制 。ZigBee協(xié)議層與層之間是通過原語進(jìn)行信息的交換和應(yīng)答的。 ZDO負(fù)責(zé)定義設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色 (例如是 ZigBee協(xié)調(diào)器或者 ZigBee終端設(shè)備 )、發(fā)現(xiàn)設(shè)備和決定他們提供哪種應(yīng)用服務(wù) ，發(fā)現(xiàn)或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間建立可靠的關(guān)聯(lián) 。一個(gè)設(shè)備允許最多 240個(gè)用戶自定義應(yīng)用對(duì)象，分別指定在端點(diǎn) l至端點(diǎn) 240上。. . APS子層負(fù)責(zé)建立和維護(hù)綁定表，綁定表主要根據(jù)設(shè)備之間的服務(wù)和他們的需求使設(shè)備相互配對(duì)。 網(wǎng)絡(luò)層的功能有以下幾個(gè)方面： ① NWK 層的責(zé)任主要包括加入和離開一個(gè)網(wǎng)絡(luò)用到的機(jī)制、應(yīng)用幀安全機(jī)制和他們的目的地路由幀機(jī)制 ； ② ZigBee 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)層還負(fù)責(zé)建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò) ； ③ 網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn) ； ④ 網(wǎng)絡(luò)形成 ； ⑤ 允許設(shè)備連接 ； ⑥ 斷開網(wǎng)絡(luò)連接 ； ⑦ 接收機(jī)同步 ； ⑧ 信息庫維護(hù) 。 NWK 層主要是為了確保正確地操作 IEEE ． 2021MAC 子層和為應(yīng)用層提供服務(wù)接口。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 。命令幀的具體功能由幀的負(fù)載數(shù)據(jù)表示。 ④ 命令幀 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。 ③ 確認(rèn)幀 如果設(shè)備收到目的地址為其自身的數(shù)據(jù)幀或 MAC 命令幀，并且?guī)目刂菩畔⒆侄蔚拇_認(rèn)請(qǐng)求位被置 1，設(shè)備需要回應(yīng)一個(gè)確認(rèn)幀。數(shù)據(jù)負(fù)載傳到 MAC 層時(shí)，被稱為 MSDU。 在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器通過向網(wǎng)絡(luò)中的所有從設(shè)備發(fā)送信標(biāo)幀，以保證這些設(shè)備能夠同協(xié)調(diào)器進(jìn)行同步，從而保證網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的成本維持在最低水平。 表 22 MAC幀的通用格式 字節(jié)2 1 0/2 1/2/8 0/2 0/2/8 2 幀 控 制 序 列 號(hào) 目的PAN 標(biāo)識(shí)符 目的地址 源 PAN標(biāo)志符 源地址 幀校驗(yàn) 地址幀 MAC 幀頭 MAC 幀尾 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。幀尾是幀頭和負(fù)載數(shù)據(jù)的 16 位 CRC 校驗(yàn)序列 。每個(gè) MAC 子層的幀都由幀頭、負(fù)載和幀尾三部分組成。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)。流程圖如下圖26。而網(wǎng)絡(luò)終端則會(huì)周期性的監(jiān)聽信標(biāo)，如果自己是協(xié)調(diào)器傳送對(duì)象，則該器件利用開槽 CSMA/CA 將 MAC命令請(qǐng)求控制信息傳給協(xié)調(diào)器。如圖 25。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。如果不存在信道固定分配周期的話，所有的數(shù)據(jù)傳送將完全通過CSMA/CA競爭機(jī)制來接入信道 [6]。 在超幀零時(shí)隙中定義了一個(gè)信標(biāo)幀（ beacon）， beacon除了信標(biāo)的意思外，還能理解為燈塔。周期性進(jìn)入休眠期關(guān)閉信道接入，則節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)的能耗。 . . 圖 24 MAC模型 和物理層類似， MAC 層也包括一個(gè)管理實(shí)體（ MLME）， MAC 層管理實(shí)體提供可以喚醒 MAC 層管理服務(wù)的服務(wù)接口（ MLMESAP），同時(shí)也維護(hù)一個(gè)與 MAC 層相關(guān)的管理對(duì)象數(shù)據(jù)庫（ MIB）。前者保證 MAC 協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中的正確收發(fā)，而后者從事 MAC 層的管理活動(dòng)，并維護(hù)一個(gè)信息數(shù)據(jù)庫。當(dāng)數(shù)據(jù)包的長度類型為 5 字節(jié)或大于 8 字節(jié)時(shí)，那么物理層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ PSDU）就會(huì)攜帶著 MAC 層的幀信息（即 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元）。 表 21 PPDU格式 字 節(jié) 1 1 可變 前同步碼 （ preamble） 幀定界符 （ SFD） 幀長度 (7 bit) 保留 (1 bit) 物理層數(shù)據(jù) (PSDU) 同步頭 (SHR) 物理層報(bào)頭 (PHR) 物理層凈荷 (PHY payload) 同步報(bào)頭 由前同步碼和幀定界符組成，用于獲取符號(hào)同步、擴(kuò)頻碼同步和幀同步。 (4) PPDU 格式 PPDU 報(bào)文數(shù)據(jù)是用于數(shù)據(jù)流同步的同步頭、含有幀長度信息的物理層報(bào)頭以及承載有 MAC 幀數(shù)據(jù)的凈荷組成。每片的形狀如同半個(gè) 正弦波，交替在同相 (I)信道和正交相位 (Q)信道傳送。 . . 圖 23 物理層將數(shù)據(jù)每字節(jié)的低四位和高四位分別映射組成數(shù)據(jù)符號(hào)，每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)又被映射成 32 位偽隨機(jī)噪聲數(shù)據(jù)碼片。 在 PHY 層有關(guān)函數(shù)中 ，①傳輸能量（ POWER），②傳輸中心頻率的兼容性及頻率穩(wěn)定度 (標(biāo)識(shí)了無線解碼器工作頻率的穩(wěn)定程度 )，③接收器之感度，④接收信號(hào)強(qiáng)度指示的測量時(shí)較為重要的參數(shù)。 圖 22 PHY模型 其中， RFSAP 是有驅(qū)動(dòng)程序提供的接口， PDSAP 是 PHY 層提供給 MAC 層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口， PLAMESAP 是 PHY 層給 MAC 層提供的管理服務(wù)接口。 （ 23） (2) 物理層主要功能 物理層功能相對(duì)簡單，主要用于硬件驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)距傳輸和物理信道的管理。 868 MHz 頻段定義了 1 個(gè)信道（ 0 號(hào)信道）； 915 MHz 定義了 10 個(gè)信道（ 1～ 10 號(hào)信道） 2400 MHz 定義了 16 個(gè)信道（ 11～ 26 信道） [5]。 IEEE 規(guī)范定義了 27 個(gè)物理通道，新到編號(hào)從 0 至 26，每個(gè)具體的信道對(duì)應(yīng)著一個(gè)中心頻率，覆 蓋了以上的 3 個(gè)不同的頻段。在這三個(gè)頻段上發(fā)送數(shù)據(jù)使用的速率信號(hào)處理過程以及調(diào)制方式等方面存在一定差異，其中 2400 MHZ 頻段的數(shù)據(jù)傳輸速率為 250 kbit/s。物理層數(shù)據(jù)服務(wù)是從無線信道上收發(fā)數(shù)據(jù)，物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)與物 理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫。協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖 21。IEEE ZigBee協(xié)議的物理層（ PHY）和媒體訪問控制層（ MAC層）協(xié)議。所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)在視野好的空曠室外傳輸距離可達(dá) 400M 以 上 。但早些設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊多數(shù)采用 TI第一代產(chǎn)品如 CC2430,CC2420等 ,存在無線通訊距離短 ,通訊可靠性不能保證等缺點(diǎn) ,一般傳輸距離都在 100M內(nèi) ,有的不到 50M。傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)成單位 ,主要負(fù)責(zé)對(duì)周圍信息的采集和處理 ,并發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)或更靠近協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)。隨著 Zigbee 功能的強(qiáng)大和開發(fā)的完善，它本身的特性決定它將是未來將大量使用于小至居民家庭大至軍事和航天事業(yè)方面。目前一些國內(nèi)外期刊和論文針對(duì) AODV路由算法提出了一些改進(jìn)路由算法，如： ZiCL(ZigBee Cluster Label)算法、 MAC． AODV算法、 EAODV算法、 QAODVl361算法等 [2]。而傳統(tǒng)的 AODV算法的路由開銷和路由發(fā)現(xiàn)可能會(huì)干擾網(wǎng)絡(luò)性能，特別是節(jié)點(diǎn)密集的網(wǎng)絡(luò)，會(huì)直接影響端到端時(shí)延和數(shù)據(jù)包的傳遞的時(shí)延。 （ 4）網(wǎng)絡(luò)性能評(píng)估：對(duì) Zigbee網(wǎng)絡(luò)性能的研究也是一大熱點(diǎn)，如研究 Zigbee底層的 (CAP)的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能量消耗、 Zigbee網(wǎng)絡(luò)在不同的通信參數(shù)下，網(wǎng)絡(luò)的通信量及穩(wěn)定性、在 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的低負(fù)載的情況下，調(diào)整其活動(dòng)時(shí)期節(jié)點(diǎn)的能量消耗，使得網(wǎng)絡(luò)的生命延長等。另外， Jennie公司的 JenNET應(yīng)用在路燈控制、環(huán)境監(jiān)控、生產(chǎn)線數(shù)據(jù)收集，以及 ZigBee結(jié)合 RFID等。 （ 2） Zigbee技術(shù)的具體應(yīng)用研究：目前，不管國內(nèi)國外，已有大量的研究者和廠商提出了 Zigbee可能的應(yīng)用。我們未來研究的重點(diǎn)將主要集中以下幾個(gè)方面： （ 1） Zigbee芯片和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)：不少廠商推出了 Zigbee的產(chǎn)品和全套解決方案。這些都需要在未來的研究中亟待解決。對(duì)于這種新興的近距離、低功耗、低傳輸率的技術(shù)，人們把更多的目光投向了無線組網(wǎng)技術(shù)方面的研究，為下一步無線網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器的研制做準(zhǔn)備。也可以用在交通領(lǐng)域作為車輛 監(jiān)控的有力工具 [1]。 (4)商業(yè)化用途 ： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還被應(yīng)用于其他一些領(lǐng)域。而且還可以減輕護(hù)理人員的負(fù)擔(dān)。 現(xiàn)如今有種系統(tǒng)通過在鞋、家具以家用電器等家中道具和設(shè)備中嵌入半導(dǎo)體傳感器，幫助老齡人士、阿爾茨海默氏病患者以及殘障人士的家庭生活。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在以下領(lǐng)域： (1)環(huán)境監(jiān)測和保護(hù) ： 隨著人們對(duì)于環(huán)境問題的關(guān)注程度越來越高，需要采集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利，并且還可以避免傳統(tǒng)數(shù)據(jù)收集方式給環(huán)境帶來的侵入式破壞。相信隨著無線技術(shù)的深入，會(huì)有更多的國產(chǎn) Zigbee 和其他無線產(chǎn)品 投入市場。 在 2021 年我國發(fā)布的《國家中長