??? 摘 要： 針對信息檢測中遇到的有線布線困難及工程造價高等情況，給出了一種無線解決方案,利用滿足Zigbee規(guī)范的無線收發(fā)芯片（CC2430）組成信息無線傳輸模塊，給出了完整的系統(tǒng)設計及軟件實現(xiàn)方案。
??? 關鍵詞： 無線傳輸? ZigBee? CC2430
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??? 在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)的信息檢測中，大部分都采用數(shù)據(jù)有線傳輸?shù)姆绞?，但是在有些場合有線布線顯得很困難，工程造價又高，且維修和改造都很不方便。新興的Zigbee技術正好解決了這一難題，它是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程數(shù)據(jù)采集" title="數(shù)據(jù)采集">數(shù)據(jù)采集等領域[1]。
1 系統(tǒng)方案的構成
??? 整個系統(tǒng)按照運行的流程大致分為三個部分：終端節(jié)點設備、中心節(jié)點設備、上位機" title="上位機">上位機部分。傳感器儀表加裝無線通信模塊構成終端節(jié)點設備，中心節(jié)點負責數(shù)據(jù)和命令信息的轉(zhuǎn)發(fā)，上位機端通過相應的監(jiān)控程序，發(fā)出采集命令，同時接收并顯示終端傳送來的數(shù)據(jù)信息，對數(shù)據(jù)加以管理。其系統(tǒng)整體構架如圖1所示。
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2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
2.1 無線節(jié)點的芯片選擇
??? 終端節(jié)點和中心節(jié)點的核心部分就是無線芯片， 本系統(tǒng)中選擇了CHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它內(nèi)含1個8位MCU(8051)，具有128KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、1個符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計數(shù)器、1個常規(guī)的16位計時器和2 個8 位計時器、AES 128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32kHz晶振" title="晶振">晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I／O引腳。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的場合。
??? CC2430是一款Zigbee兼容的無線收發(fā)芯片，其工作頻段是2.405GHz～2.48GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調(diào)試方式。該頻帶劃分為16個信道，每個信道占5MHz的帶寬。采用直接序列擴頻(DSSS)的方式，由于傳輸速率低而且所占帶寬大，所以其信道的信噪比很大，且其集成度很高，其應用前景很好[2]。
2.2 無線模塊的硬件設計
??? 硬件接線如圖2 所示，其中芯片CC2430只給出了所用到的管腳。使用一個非平衡天線,連接非平衡變壓器使接收性能更好，電路中的非平衡變壓器由電容C4和電感L3、L1、L2 以及一個PCB 微波傳輸線組成，整個結(jié)構滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內(nèi)部T/R 交換電路完成LNA與PA之間的交換。R1和R2為偏置電阻，電阻R2主要用來為32MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1個32MHz的石英諧振器（XTAL1）和2個電容（C5和C6）構成一個32MHz 的晶振電路。用1個32.768kHz 的石英諧振器（XTAL2）和2個電容（C2 和C3）構成一個32.768kHz 的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1.8V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，C1和C7 是去耦合電容,用來電源濾波,以提高芯片工作的穩(wěn)定性。
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2.3 系統(tǒng)軟件設計
2.3.1 拓撲結(jié)構
??? 針對該系統(tǒng)的實際應用場合，網(wǎng)絡拓撲采用典型的星型結(jié)構：一個中心節(jié)點擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，其他各測點相當于無線傳感器網(wǎng)絡中的RFD節(jié)點，只與中心節(jié)點通信，其網(wǎng)絡初始化流程如圖3 所示。
2.3.2 底層協(xié)議
??? 本系統(tǒng)屬于點對多點通信，通信協(xié)議分為三層來實現(xiàn)。第一層為物理層，第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，第三層為應用層" title="應用層">應用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層由CC2430芯片硬件實現(xiàn)，屬于Zigbee協(xié)議范圍，其結(jié)構簡圖如圖4 所示。物理層負責硬件最底部的數(shù)據(jù)收發(fā)，數(shù)據(jù)鏈路層的上半部為邏輯鏈路控制LLC(Logical Link Control)子層，負責將數(shù)據(jù)正確地發(fā)送到物理層;下半部為MAC(Media Access Control)子層，負責控制與連接物理層的物理介質(zhì)。MAC層定義了4種幀結(jié)構:數(shù)據(jù)幀、信標幀、確認幀和命令幀，如圖4 所示。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，MAC層首先按規(guī)則從LLC層接收數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行媒體訪問規(guī)程，查看網(wǎng)絡是否可以發(fā)送;一旦網(wǎng)絡可以發(fā)送，它將給數(shù)據(jù)附加上一些控制信息，把數(shù)據(jù)及控制信息以規(guī)定的格式(即幀)送往物理層。當接收數(shù)據(jù)時，MAC層從物理層接收到數(shù)據(jù)幀并檢查數(shù)據(jù)幀中的控制信息，判斷是否發(fā)生傳輸錯誤，如數(shù)據(jù)正確，則去掉控制信息后把其送至LLC層。MAC層使用時隙化的載波偵聽和沖突避免的信道接入算法(CSMA-CA)，能有效地避免沖突的產(chǎn)生[3-4]。
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2.3.3 應用層軟件設計
??? 應用層軟件是本系統(tǒng)的關鍵部分，它體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的功能，通過對整個系統(tǒng)的分析，應用層軟件大致可分為終端數(shù)據(jù)采集部分和中心節(jié)點部分。系統(tǒng)復位時終端節(jié)點先進行硬件初始化，選擇通信信道，置收發(fā)標志位。節(jié)點可采取需求喚醒的工作機制，沒請求時使之進入休眠狀態(tài)以降低其能耗。當有傳輸請求時，馬上進入工作狀態(tài)，先解析請求命令并回應，然后采集數(shù)據(jù)并發(fā)送，完成后若沒有出錯信息或請求則又進入低功耗的休眠，等待下個命令的激活，其程序流程如圖5 所示。
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??? 中心節(jié)點應用程序功能是將主機端監(jiān)控程序發(fā)送的數(shù)據(jù)請求信號發(fā)送出去，另外還要接收終端采集的數(shù)據(jù)并上傳給上位機。復位時進行系統(tǒng)初始化并開中斷，置標志位ST,完成后系統(tǒng)進入休眠模式（ST=00）。當上位機有數(shù)據(jù)采集要求時，通過串口與之通信，此時將會觸發(fā)系統(tǒng)的串口中斷激活系統(tǒng)。隨后，中斷服務程序?qū)⑾到y(tǒng)置為發(fā)送命令狀態(tài)（即ST=01），先解析命令信號，接著將命令信號打包發(fā)送出去，發(fā)送成功后將進入等待接收數(shù)據(jù)模式(即ST=10)。此后，如果有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，底層將數(shù)據(jù)上交到應用層后，就直接將數(shù)據(jù)通過串口上傳給上位機，完成一次數(shù)據(jù)傳輸。其程序流程如圖6所示。
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??? 上位機和中心節(jié)點的通信采用RS232C串行數(shù)據(jù)通信，串行口的通信方式為異步串行通信，信息格式為1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個停止位，無奇偶校驗位，速率為57 600bps，數(shù)據(jù)傳輸采用“停止－等待”協(xié)議模式。
3 試驗調(diào)試開發(fā)平臺" title="開發(fā)平臺">開發(fā)平臺
??? 本系統(tǒng)試驗所用的開發(fā)平臺為C51RF-3-BK，在線仿真器通過USB接口直接連接到電腦上，并連到CC2430的ZigBee無線單片及目標板，具有代碼高速下載、在線調(diào)試DEBUG、硬件斷點、單步、變量觀察、寄存器觀察等全部C51源水平調(diào)試的功能，能實現(xiàn)對CC2430芯片節(jié)點的實時在線仿真/調(diào)試/測試。所用的集成開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench for MCS-51，一個與KELLC51類似的功能強大的C51編譯器/IDE/DEBUG開發(fā)平臺。運用該開發(fā)平臺，本信息傳輸系統(tǒng)能順利地調(diào)試成功，在沒有中繼路由的情況下，能組成多點對一點的半徑范圍為100m之內(nèi)的星型網(wǎng)絡，增加發(fā)射功率可以增大通信的距離。
??? Zigbee技術是一種新興無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸技術，為人們提供了一種全新的獲取信息、處理信息的途徑。本文將該技術應用到信息檢測系統(tǒng)，能有效地解決以往信息檢測中所存在的布線難、能耗大、維護和檢修難的問題，提高了效率。本文所給出的這種解決問題方案在實驗室環(huán)境得到了驗證，此外本方案有很大的系統(tǒng)升級空間，通過移植更好的組網(wǎng)Zigbee協(xié)議，能組成分布式大范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集無線傳輸網(wǎng)絡，更加靈活方便。
參考文獻
[1] 孫利民，李建中，陳渝，等．無線傳感器網(wǎng)絡[M]． 北京：清華大學出版社，2005.2.
[2] Overview of the IEEE 802．15．4 PHY Baseline，IEEE 802．15?Working.Group for Wireless Personal Area Networks．doc：IEEE 802．15．4——01／358.
[3] ?馮琳.無線傳感器網(wǎng)絡及ZigBee技術的應用研究[D].合肥工業(yè)大學，2006.
[4] ?陳凱，楊曉非. 基于Zigbee芯片的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在鋼絲繩無損檢測中的應用[J].工業(yè)控制計算機，2006，19（6）:55-59.