摘要：基于TI公司的CC2530實(shí)現(xiàn)了IEEE 802.15.4(ZigBee)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)協(xié)議；在分析CSMA-CA算法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論了片內(nèi)集成的命令選通/CSMA-CA處理器的工作機(jī)制，同時(shí)組建了一個(gè)小型星狀網(wǎng)絡(luò)。測(cè)試結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)通信范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)收發(fā)的成功率和正確率均達(dá)到了100%。
0 引言
基于IEEE 802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是綜合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)，采用大量的節(jié)點(diǎn)覆蓋監(jiān)測(cè)區(qū)域，形成一個(gè)自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前已在自動(dòng)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合TI公司SoC芯片CC2530，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信功能，為研究上層協(xié)議打下了基礎(chǔ)。
1 CC2530芯片簡(jiǎn)介
CC2530是TI公司針對(duì)2.4GHz ISM頻帶推出的第二代支持ZigBee/IEEE 802.15.4協(xié)議的片上集成芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU內(nèi)核、256KB Flash ROM和8KB RAM。其主要特性：具有2個(gè)USART、8位和16位定時(shí)器、看門狗定時(shí)器、8路輸入可配置的12位ADC、21個(gè)GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、數(shù)字化的RSSI/LQI和強(qiáng)大的DMA功能，具備電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能；支持5種工作模式，且轉(zhuǎn)換時(shí)間短，可以較好地滿足超低功耗系統(tǒng)的要求；在接收和發(fā)送模式下，電流損耗分別為24mA和29mA。由于其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，封裝小，功耗低，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
2 CSMA-CA機(jī)制
IEEE 802.15.4協(xié)議中采用CSMA-CA機(jī)制來(lái)避免數(shù)據(jù)沖突。根據(jù)是否采用信標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)分為非信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)兩種。非信標(biāo)模式下，節(jié)點(diǎn)使用CSMA-CA機(jī)制競(jìng)爭(zhēng)信道：節(jié)點(diǎn)隨機(jī)退避一段時(shí)間，執(zhí)行CCA(空閑信道評(píng)估)，若信道IDLE則傳送數(shù)據(jù)，若信道BUSY則重新等待一段隨機(jī)時(shí)間后執(zhí)行CCA。
在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，將超幀劃分了16個(gè)時(shí)隙，因此執(zhí)行的退避時(shí)間都是以時(shí)隙為單位，CCA在退避周期的邊界處開始執(zhí)行。圖1是IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的CSMA-CA算法流程。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)在每次嘗試傳輸時(shí)都需要維護(hù)3個(gè)變量：后退次數(shù)NB、競(jìng)爭(zhēng)窗口CW和后退指數(shù)BE。變量NB是嘗試當(dāng)前幀發(fā)送過(guò)程中CSMA-CA算法執(zhí)行隨機(jī)退避的次數(shù)，每個(gè)新的傳輸嘗試之前NB應(yīng)初始化為0。在IEEE802.15.4中，定義NB的最大值為4，如果節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)4次信道忙碌退避后仍然無(wú)法接入進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，則放棄數(shù)據(jù)傳送，并向上層報(bào)告。變量CW是競(jìng)爭(zhēng)窗口的長(zhǎng)度，它表示允許發(fā)送前要求信道連續(xù)空閑的時(shí)間，只用于時(shí)隙CSMA-CA算法，可以給處理器處理不同時(shí)隙留有時(shí)間保護(hù)帶，以免數(shù)據(jù)幀沖突。BE值的大小影響節(jié)點(diǎn)接入信道的能力，若設(shè)置得過(guò)小，起不到降低沖突的作用；設(shè)置得過(guò)大，延時(shí)作用不明顯。IEEE 802.15.4推薦的默認(rèn)值為3，最大值為5。當(dāng)BE設(shè)為0時(shí)，則只進(jìn)行一次碰撞檢測(cè)。
3 命令選通協(xié)處理器
CC2530片上集成的命令選通協(xié)處理器(CSP)提供了MCU和無(wú)線電之間的接口，有立即選通命令和程序執(zhí)行兩種模式，可以處理MCU發(fā)出的命令。同時(shí)還有一個(gè)24字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，配合MAC定時(shí)器自動(dòng)執(zhí)行CSMA-CA算法，充當(dāng)MCU的協(xié)處理器。CSP復(fù)位后，指令寫指針復(fù)位到位置0，在每次RFST寫入期間指令寫指針累加1，直到程序存儲(chǔ)器的終點(diǎn)。另外，CSP還有4個(gè)寄存器：CSPT、CSPX、CSPY和CSPZ。MCU可以對(duì)它們讀寫，設(shè)置CSP運(yùn)行所需的參數(shù)。程序執(zhí)行模式下運(yùn)行一個(gè)CSP的流程如圖2所示。
4 節(jié)點(diǎn)通信實(shí)現(xiàn)
4.1 通信機(jī)制
CC2530是通過(guò)寄存器TXFIFO和RXFIFO來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，往TXFIFO中寫入數(shù)據(jù)，無(wú)線電模塊自動(dòng)添加PHY層同步頭和FCS，通過(guò)選通命令STXON或STXONCCA發(fā)送數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，產(chǎn)生RXPKTDONE中斷，在中斷服務(wù)程序中通過(guò)讀取RXFIFO即可。
本文根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議，定義了精簡(jiǎn)的MAC層幀格式，如圖3所示。
幀控制域占一個(gè)字節(jié)。其中，幀類型占2位，00表示同步幀，01表示數(shù)據(jù)幀，10表示確認(rèn)幀，11表示命令幀；確認(rèn)請(qǐng)求占1位，1表示接收設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)幀或命令幀時(shí)如果判斷其為有效幀就要向發(fā)送設(shè)備反饋一個(gè)確認(rèn)幀，0表示該接收設(shè)備不需要反饋確認(rèn)幀。幀序號(hào)唯一標(biāo)識(shí)各個(gè)幀，用于確認(rèn)幀和數(shù)據(jù)幀或命令幀的匹配。目標(biāo)地址和源地址分別用2個(gè)字節(jié)表示。由于IEEE 802.15.4規(guī)范中定義了物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)的最大長(zhǎng)度為127字節(jié)，而其中的8字節(jié)已經(jīng)被使用，因此有效負(fù)載(pay-load)的字節(jié)長(zhǎng)度為1～119字節(jié)。
數(shù)據(jù)發(fā)送有3種模式：非CSMA-CA、時(shí)隙CSMA-CA和非時(shí)隙CSMA-CA。待數(shù)據(jù)按上述格式寫入TXFIFC)后，執(zhí)行“RFST—ISTXON”啟動(dòng)CSP程序。
以下為基于時(shí)隙CSMA-CA模式的CSP程序代碼：
4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)及10個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的星狀網(wǎng)。硬件采用由CC2530制作的傳感器板，測(cè)試數(shù)據(jù)由片內(nèi)自帶的溫度傳感器提供。
如圖4所示，中心節(jié)點(diǎn)采用輪詢的方式采集終端數(shù)據(jù)，通過(guò)串口顯示到上位機(jī)軟件上。其中，a代表中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送的命令幀；b為上傳的數(shù)據(jù)幀；c為中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)幀。終端節(jié)點(diǎn)采用非時(shí)隙CSMA-CA的方式發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖5所示測(cè)試結(jié)果表明：在節(jié)點(diǎn)通信半徑內(nèi)，當(dāng)輪詢時(shí)間大于等于15.36ms時(shí)，節(jié)點(diǎn)間通信未丟失任何數(shù)據(jù)包，且沒(méi)有誤碼現(xiàn)象。隨著節(jié)點(diǎn)距離增大，節(jié)點(diǎn)丟包率逐漸上升。周期時(shí)間隨著節(jié)點(diǎn)的增多而增大，延時(shí)積累明顯。
5 結(jié)語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)了基于CC2530的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)CSMA-CA算法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)能夠正常通信。
本文為進(jìn)一步的上層通信協(xié)議設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，具有一定的參考價(jià)值。
