IEEE 802．15．4的CC2530無線數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計

摘要：基于TI公司的CC2530實現(xiàn)了IEEE 802．15．4(ZigBee)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)協(xié)議；在分析CSMA-CA算法的基礎(chǔ)上，重點討論了片內(nèi)集成的命令選通／CSMA-CA處理器的工作機制，同時組建了一個小型星狀網(wǎng)絡(luò)。測試結(jié)果表明，在節(jié)點通信范圍內(nèi)，節(jié)點收發(fā)的成功率和正確率均達到了100％。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；IEEE 802．15．4；CC2530；CSMA-CA

引言
基于IEEE 802．15．4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是綜合了傳感器技術(shù)、信息處理技術(shù)和無線通信技術(shù)，采用大量的節(jié)點覆蓋監(jiān)測區(qū)域，形成一個自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，目前已在自動控制、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。在對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC層深入研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合TI公司SoC芯片CC2530，實現(xiàn)了節(jié)點間的點對點通信功能，為研究上層協(xié)議打下了基礎(chǔ)。

1 CC2530芯片簡介
CC2530是TI公司針對2．4 GHz 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)增強型8051MCU內(nèi)核、256 KB Flash ROM和8 KB RAM。其主要特性：具有2個USART、8位和16位定時器、看門狗定時器、8路輸入可配置的12位ADC、21個GPIO、AES128協(xié)同處理器，硬件支持CSMA-CA、數(shù)字化的RSSI／LQI和強大的DMA功能，具備電池監(jiān)測和溫度感測功能；支持5種工作模式，且轉(zhuǎn)換時間短，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24 mA和29 mA。由于其硬件設(shè)計簡單，封裝小，功耗低，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。

2 CSMA-CA機制
IEEE 802．15．4協(xié)議中采用CSMA-CA機制來避免數(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)點使用CSMA-CA機制競爭信道：節(jié)點隨機退避一段時間，執(zhí)行CCA(空閑信道評估)，若信道IDLE則傳送數(shù)據(jù)，若信道BUSY則重新等待一段隨機時間后執(zhí)行CCA。
在信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中，將超幀劃分了16個時隙，因此執(zhí)行的退避時間都是以時隙為單位，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。

每個節(jié)點在每次嘗試傳輸時都需要維護3個變量：后退次數(shù)NB、競爭窗口CW和后退指數(shù)BE。變量NB是嘗試當(dāng)前幀發(fā)送過程中CSMA-CA算法執(zhí)行隨機退避的次數(shù)，每個新的傳輸嘗試之前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)點經(jīng)過4次信道忙碌退避后仍然無法接入進行數(shù)據(jù)傳送，則放棄數(shù)據(jù)傳送，并向上層報告。變量CW是競爭窗口的長度，它表示允許發(fā)送前要求信道連續(xù)空閑的時間，只用于時隙CSMA-CA算法，可以給處理器處理不同時隙留有時間保護帶，以免數(shù)據(jù)幀沖突。BE值的大小影響節(jié)點接入信道的能力，若設(shè)置得過小，起不到降低沖突的作用；設(shè)置得過大，延時作用不明顯。IEEE 802．15．4推薦的默認值為3，最大值為5。當(dāng)BE設(shè)為0時，則只進行一次碰撞檢測。