基于CC2530的ZigBee协调器节点设计

随着我国物联网正进入发展的快车道，ZigBee也正逐步被国内越来越多的用户接受。ZigBee技术也已在部分智能传感器场景中进行了应用。如在北京地铁9号线隧道施工过程中的考勤定位系统便采用的是ZigBee，ZigBee取代传统的RFID考勤系统实现了无漏读、方向判断准确、定位轨迹准确和可查询，提高了隧道安全施工的管理水平;在某些高档的老年公寓中，基于ZigBee网络的无线定位技术可在疗养院或老年社区内实现全区实时定位及求助功能。由于每个老人都随身携一个移动报警器，遇到险情时，可以及时的按下求助按钮不但使老人在户外活动时的安全监控及救援问题得到解决，而且，使用简单方便，可靠性高。本文介绍基于CC2530的ZigBee协调器节点设计。

节点硬件总体设计

ZigBee无线通信网络主要由协调器、路由器及终端设备3种节点组成。在网络建立之初，每个网络有且仅有一个协调器节点，主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护功能，也可用来协助建立安全层和应用层的绑定。鉴于协调器节点的硬件及软件设计最为复杂，本文主要介绍协调器节点的设计方法。协调器节点主要由处理器模块、RF前端、电源管理模块及各外部接口等组成，也可根据需要增加传感器及GSM/GPRS等模块。协调器的主要硬件结构图如图1所示。

各功能模块介绍

（1）处理器模块

处理器模块采用CC2530作为主控芯片［5］。CC2530是一个兼容IEEE802.15.4的、真正的片上系统，支持专有的IEEE802.15.4以及ZigBee、ZigBeePRO和ZigBeeRF4CE标准。CC2530集成了2.4GHz的射频收发器、增强型工业标准的8051MCU、最大256KB可编程FLASH、8KB的RAM并提供有一套广泛的外设集（包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO）。同时，CC2530可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈（RemoTI、Z-Stack或SimpliciTI）来简化开发，其RF发送输出功率为4.5dBm，接收灵敏度为-97dBm。

（2）RF前端

RF前端采用TI公司的集成度很高的射频前端芯片CC2591。CC2591工作在2.4GHz，内部集成有增益为+22dBm的功率放大器（PA）、低噪声放大器、平衡转换器、交换机、电感器和RF匹配网络等。接收部分内部集成的LNA接收增益最大为11dBm，噪声系数为4.8dB，接收机灵敏度可提高6dB，能显著增加无线系统的覆盖范围。

（3）电源管理模块

本系统可采用外接电源及干电池联合供电的方式。当外接电源无效时，也可采用干电池为系统供电，以保证系统各节点的正常运行。

（4）接口模块

一般情况下，协调器节点接口主要包括串行接口、电源接口及JTAG接口，也可增加USB接口。当管理机无串口时，采用USB接口可使该节点应用更为方便灵活。

（5）天线

天线可采用SMA天线与倒F天线相结合的方式。其中SMA是Sub-Miniature-A的简称，全称应为SMA反极性公头，就是天线接头是内部有螺纹的，里面触点是针（无线设备一端是外部有螺纹，里面触点是管），这种接口的无线设备是最普及的；倒F天线的设计可采用TI公司公布的参考设计，该天线的最大增益为+3.3dB，完全能够满足CC2530工作频段的要求。

节点软件设计及组网研究

组建一个完整的ZigBee网络主要由ZigBee协议栈的网络层来实现。ZigBee网络层主要为新加入的节点分配地址并提供路由发现及路由维护等。协调器作为网络的第一个节点设备，主要负责网络的建立及参数配置，图2所示是其软件流程图。该节点设计的开发环境为IARMCS-517.51A，采用的协议栈是TIZ-Stack2.3.1，该协议栈可支持ZigBee2007/ZigBee-PRO。

组建网络的两个步骤主要是网络初始化及节点加入网络。网络初始化首先要确定网络协调器，通过主动扫描发送信标请求命令来检测该网络中是否存在协调器。如果在扫描期限内没有检测到信标，则将自己作为网络的协调器，并不断地产生信标并广播出去；然后进行信道扫描，对指定的信道或默认信道进行能量检测以避免可能的干扰，并将那些能量值超过了允许水平的信道丢弃，而后对剩余信道进行主动扫描，以检查区域内有没有其它ZigBee网络存在；完成主动扫描后，即可获得设备所在区域内已有的各ZigBee网络的网络标识符（PANID），至此，网络初始化基本完成。

节点加入网络可通过两种方式完成：一是由子节点发起的通过关联加入网络；二是由父节点发起的通过已有父节点（协调器或路由器）加入网络。图2所示流程图中的子节点便是采用第一种方式入网的。当一个节点希望加入该网络时，首先会进行信道扫描来搜索周围是否存在协调器。若在扫描期限内检测到协调器，则向其发送关联请求。协调器收到请求后会回复一个确认帧（ACK），并向其上层发送连接指示原语。当节点收到协调器的回复帧后，节点的MAC层将等待一段时间，以便接收协调器发出连接响应。如果协调器的地址资源足够，它就会给节点分配一个16位的短地址，并产生包含新连接和连接状态的响应命令。至此，节点将可以成功地和协调器进行连接，并可以开始通信。这一系列的过程都是通过协议栈各层间原语通信实现的。节点与协调器关联入网的原语时序图如图3所示。