基于CC2530的Zigbee网络节点设计
基于CC2530的ZigBee协议MAC层设计与实现
ｐ ｌ ｏ ｙ ｅ ｄ ；ｃ ｏ ｍｐ ａ ｒ ｅ ｄ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ Ｒ Ｍ ＋ Ｌｉ Ａ ｎ ｕ ｘ ｐ ｌ ａ ｔ ｆ ｏ ｒ ｍ ，ｔ ｈ ｅ ｂ ｕ ｉ １ ｔ —ｉ ｎ ５ １ 一ｃ ｏ ｒ ｅ ｕ ｓ ｅ ｄ ｔ Ｏ ｒ ｕ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｈ ｅ ｌ ｐ ｓ ｔ ｏ ｌ ｏ ｗｅ ｒ ｃ ｏ ｓ ｔ ｓ ． Ｔｈ ｅ
并不开源 ，使得 开发者无 法按照 实际需求 修改 或调试底 层
功 能 ，更 无 法 将 协 议 移 植 到 其 他 ＭＣ Ｕ 或 射 频 芯 片 。本 文 在Ｃ Ｃ ２ ５ ３ ０ 平 台 的基 础 上 提 供 一 个 开 源 、模 块 化 、方 便 移 至 与扩 展 的 Ｚ ｉ ｇ ｅ ｅ协 议 ＭＡＣ 层 的 设 计 与 实 现 方 案 ，并 加 Ｂ
（ ＭＡＣ ） ，并 在 此 基 础 上 定 义 了 网 络 层 、应 用 层 、设 备 管
１ Ｚ ｉ ｇ ｇ Ｂ ｅ ｅ 协 议
Ｚ ｉ ｇ ｅｅ Ｂ 协议 标准 结 构如 图 １所 示 。其采 用 分层 结 构 ， 协议 的每一层为 上层提供 一系列 透 明的特殊服 务 ，如数据 传输服务 ，网络控 制服务 等等 。层与 层之 间通过服务 接入
ｃ ｏ ｍｅ ｓ ｈ ｏ ｒ ｔ ｃ ｏ ｍｉ ｎ ｇ ｓ ｏ ｆ ｅ ｘ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｍａ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ａ ｍ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｉ ｎ ｇ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｄ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ，ｄ ｉ ｆ ｆ ｉ ｃ ｕ ｌ ｔ ｍｏ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ，ｔ ｈ ｅ ｐ ｌ ａ ｎ ｉ ｓ ｔ ｏ —
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现二、硬件设计1. CC2530芯片CC2530是德州仪器（TI）公司推出的一款具有Zigbee通信功能的片上系统（SoC）芯片，集成了802.15.4无线通信功能以及8051微控制器。
CC2530具有低功耗、快速响应、可靠性高等特点，适合用于构建Zigbee传感网络。
2. 传感器节点传感器节点是Zigbee网络中的重要组成部分，它可以通过各种传感器采集环境信息，并通过无线网络发送到协调器节点。
传感器节点通常包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器等，以满足不同的监测需求。
3. 协调器节点协调器节点是Zigbee网络中的核心节点，负责网络管理、数据协调、安全认证等功能。
在本设计中，我们选择CC2530作为协调器节点的芯片，通过其内置的Zigbee功能实现网络连接和数据传输。
4. 网络拓扑在设计Zigbee无线传感网络时，需要考虑网络拓扑结构，一般可以选择星型、网状或者混合型拓扑结构。
根据实际应用需求，可以灵活选择合适的网络拓扑结构。
三、软件开发1. Zigbee协议栈在基于CC2530的Zigbee无线传感网络中，需要使用Zigbee协议栈来实现Zigbee协议的各层功能，包括PHY层、MAC层、网络层和应用层等。
TI 公司提供了针对CC2530芯片的Z-Stack协议栈，可以帮助开发者快速实现Zigbee通信功能。
2. 网络配置在软件开发过程中，需要对Zigbee网络进行配置，包括节点连接、网络路由、数据传输等方面。
通过Z-Stack协议栈提供的API接口，可以方便地进行网络配置和管理。
3. 数据处理在传感节点和协调器节点之间，需要进行数据的采集、传输和处理。
通过Z-Stack提供的数据传输接口和协议栈功能，可以实现传感数据的采集和传输，以及协调器节点的数据处理和分发。
3. 安全认证在Zigbee网络中，安全认证是至关重要的一环。
通过Z-Stack协议栈提供的安全认证接口，可以实现节点之间的安全通信，保障网络数据的安全性。
CC2530实现协议栈网络通信实验(组播)
afAddrType_t Group_DstAddr 组播内容的结构体： 2. 加入组播参数的配置。
Group_DstAddr.addrMode = (afAddrMode_t)afAddrGroup; Group_DstAddr.endPoint = SAMPLEAPP_ENDPOINT; Group_DstAddr.addr.shortAddr = Test_GROUP; 其中 Test_GROUP 在 SampleApp.h 里面定义组号为 2:
具体实验： 1. 发送部分 组播描述的就是网络中所有节点设备被分组后组内相互通信的过程。确定通
信对象的就是节点的组号。下面我们在 SampleApp 例程完通过简单的修改完成 组播实验。
终端的描述文件在 AF.h 文件里，找到下面代码： 1. 在SampleApp.c中加入2项内容： 组播afAddrType_t的类型变量
= Addr64Bit,
afAddrGroup
= AddrGroup,
afAddrBroadcast = AddrBroadcast
} afAddrMode_t;
发送函数 void SampleApp_SendGroupMessage( void ) {
uint8 data[10]={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9}; if ( AF_DataRequest( &Group_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
#define Test_GROUP 0x0002 // 组播号 2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
易思开发工作室 ES Technology
{
afAddrNotPresent = AddrNotPresent,
基于ZigbeeCC2530的无线抄水表系统的研究与设计
摘 要 ： 无 线 自动抄水 表技 术 具有不 入 户 。 管理 费用低 ． 快速 以及可避 免误 抄 ． 错抄 等优 点 。 本文 设计 了一种 无 线抄水 表 系统 ， 共 包含 远程 用户终 端模 块和 无线收发模块 两部 分 ， 这 两部分都 采 用射 频芯 片Ｃ Ｃ２ ５ ３ ０ ６ ， 相应的 电路 组成 。 用二进 制计数 方法读取 水表数据 ， 然后
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基于CC2530的ZigBee协调器节点设计
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。
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。
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现1. 引言1.1 基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现概述Zigbee无线传感网络是一种低成本、低功耗、短距离的无线通信技术，适用于物联网领域。
本文基于CC2530芯片，对Zigbee无线传感网络的设计与实现进行了探讨和研究。
在传感网络中，节点之间通过无线通信实现信息传输和数据交换，构建起一个相互协作的网络体系。
CC2530芯片作为一种低功耗、高集成度的无线通信芯片，具有良好的性能和稳定性，非常适合用于Zigbee无线传感网络的设计。
本文将通过介绍Zigbee无线传感网络的原理与技术、CC2530芯片的特点，以及网络拓扑结构设计、节点通信协议设计和能量管理设计等方面的内容，来探讨基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现方法。
通过对设计与实现结果进行分析，可以了解到该系统的性能和可靠性。
同时，也会探讨存在的问题，并展望未来的发展方向。
这将有助于进一步完善基于CC2530的Zigbee无线传感网络系统，提高其在物联网应用中的实际效果和应用前景。
2. 正文2.1 Zigbee无线传感网络原理与技术Zigbee无线传感网络是一种基于IEEE 802.15.4标准的低成本、低功耗、短距离无线通信技术。
它主要用于构建小型自组织的自动化控制系统，适用于各种物联网应用场景。
Zigbee网络采用星型、树状和网状等不同的拓扑结构，其中最常见的是网状结构，可以实现节点之间的多跳通信，提高网络覆盖范围和可靠性。
节点之间可以通过广播、单播和多播等方式进行通信，实现数据的传输和控制。
在Zigbee协议栈中，包括物理层、MAC层、网络层和应用层。
其中物理层负责传输数据，MAC层处理数据的接入控制，网络层负责路由和组网，应用层实现具体的应用功能。
通过这些协议层的配合，可以实现数据的可靠传输和快速响应。
Zigbee网络还支持多种不同的信道选择和能量管理机制，可以根据具体的应用场景来选择最适合的工作模式，以实现最佳的性能和功耗平衡。
亿佰特-CC2530中文数据手册(zigbee组网E18-MS1-PCB无线模块)
--电气参数
E18-MS1-PCB
E18-MS1-PCB 是一款体积极小的2.4GHz 无线模块，发射功率约2.5mW，贴片型（引脚间距1.27mm），收发一体；自带高性能PCB 板载天线。
该模块目前已经稳定量产，并适用于多种应用场景（尤其智能家居）。
E18-MS1-PCB采用美国德州仪器（TI）公司原装进口CC2530射频芯片，芯片内部集成了8051单片机及无线收发器，并适用于ZigBee设计及2.4GHz IEEE 802.15.4协议。
模块引出单片机所有IO口，可进行多方位的开发。
该模块内带功放芯片CC2592，增加了无线通信距离。
E18-MS1-PCB为硬件平台，出厂无程序，用户需要进行二次开发。
--
*我司提供Altium designer封装库请前往官网下载或联系我们索取
--注意事项E18-MS1-PCB
关于我们E18-MS1PA1-IPX （EBYTE）是一家专业提供无线数传方案及产品的公司
◆自主研发数百个型号的产品及软件；
◆无线透传、WiFi、蓝牙、Zigbee、PKE、数传电台……等多系列无线产品；
◆拥有近百名员工，数万家客户，累计销售产品数百万件；
◆业务覆盖全球30多个国家与地区；
◆通过了ISO9001质量管理体系、ISO14001环境体系认证；
◆拥有多项专利与软件著作权，通过国际FCC/CE/ROHS等权威认证。
基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现
无线传感器网络是新一代的传感器网络，它的发展和应用将会给人们的生活 和生产带来较深远的影响。各国都很重视无线传感器网络的发展，电气电子工程
２
基于ＣＣ２５３０的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络的设计与实现
ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
师协会（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ＩＥＥＥ）正在尽力推进无线传
西安电子科技大学 硕士学位论文 基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现 姓名：王风 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：曾兴雯 201201
摘要
目前，无线传感器网络已成为世界各国的研究热点，ＺｉｇＢｅｅ技术以其低复杂 度、低成本、低功耗等优点，被广泛地应用于无线传感器网络中。本文基于ＣＣ２５３０ 和ＺｉｇＢｅｅ协议栈实现了一个网状结构的无线传感器网络。 论文首先介绍了ＺｉｇＢｅｅ技术的特点、网络拓扑结构、协议分析。其次从整体 上提出了系统的结构，并基于主芯片ＣＣ２５３０和射频芯片ＣＣ２５９１对ＺｉｇＢｅｅ节点 进行了硬件设计。介绍了ＺｉｇＢｅｅ协议栈，给出了协调器、路由节点和传感器节点 的软件流程图，并形成一个网状结构的传感器网络。最后，用串口测试工具对构 建的网络进行了测试，重点测试网络的建立、节点的入网和传感器节点数据传输 的过程。另外，为了检测网络性能，对节点之间的通信距离进行了测试。 结果表明，网络中的传感器节点能够将监测区域的信息传送到协调器中，实 现网状结构的无线传感器网络。
１．１无线传感器网络
无线传感器网络技术是具有交叉学科性质、军民两用的高科技技术，在军事、 国家安全、交通管理、医疗卫生和城市信息化建设等领域，它都有广泛的应用。 无线传感器网络是由许多传感器节点组成的，而每一个传感器节点又包括数据采 集模块（传感器、Ａ／Ｄ转换器）、数据控制和处理模块（微处理器）、通信模块（无线收 发器ＲＦ，Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）和电源模块（电池、ＤＣ／ＡＣ能量转换器）等。近年来微机 电系统（Ｍｉｃｒｏ
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基于CC2530的Zigbee网络节点设计
1 引言
基于zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地[1]。
同时，zigbee规范与协议日臻完善[2]。
从zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求[3]。
2 设计要求
2.1 zigbee网络结构
从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种[2]。
其组织结构如图1示。
图1 zigbee网络拓扑结构
其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络；路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发；终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作[2]。
这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。
从功能上，zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。
其结构如图2所示。
图2 zigbee网络节点模块图
其中，包括dma、usart模块、定时器模块、a/d模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，cpu实现数据的运算与处理，mac 定时器用于实现网络同步，使用aes技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。
2.2 zigbee网络节点设计要求
(1)可供选择的无线频段。
无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。
2.4ghz频段是ieee 502.15.4定义的工作在ism频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。
(2)体积小，成本低，易于大规模布建。
zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的zigbee 网络节点有较高的性价比。
(3)可靠性。
与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，zigbee 网络是工作在2.4ghz ism频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。
为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。
(4)通用性。
布建zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是i/o操作和a/d 操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。
(5)低功耗，支持电池供电。
低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。
典型的zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。
zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。
3 硬件设计
3.1芯片选型
zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。
微处理器模块在无线收发模块的协作下完成zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及zigbee2007协议栈的正常运行[3]。
在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。
设计选用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz频段，是符合ieee 802.15.4规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多zigbee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。
其主要特性如下：
(1)片内集成增强型高速8051内核处理器，支持代码预取；256kflash程序存储器，支持最新zigbee2007pro协议；8k数据存储器；支持硬件调试[3]。
(2)支持2v-3.6v供电区间，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中断模式0.4ua。
包括处理器和智能片内外设在内的模块，具有超低功耗的特点[3]。
(3)片内集成5通道dma；mac定时器；1个16位、两个8位普通定时器；32khz睡眠定时器；电源管理与片内温度传感器；8通道12位ad转换器；看门狗等智能外设[3]。
高密度集成化电路节约设计成本。
(4)应用范围包括2.4g-hz ieee 802.15.4系统、rf4ce远程控制系统、zigbee网络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗wsn等领域[3]。
cc2530芯片结构如图3所示。
图3 cc2530片内功能模块图
3.2硬件整体设计
在网络节点硬件平台中，cc2530需要实现的功能以及外围模块主要有3个部分：通过a/d 口控制传感器模块进行数据采集；控制无线rf模块完成数据收发；通过i/o口相应主机控制。
传感器采集的数据也可通过i/o口与微处理器相连，通过rs232接口可实现网络节点与pc 机的通信[3]。
外围硬件电路原理图如图4所示。
图4 网络节点硬件参考电路图
由于cc2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。
其中，主时钟晶振采用32mhz无源晶振以及32.768khz时钟晶振；无线rf模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线，具体的元器件封装信息参见附表所示。
附表网络节点封装信息表
为了更好提高芯片内部电压精度，输入电压应采用调制后的3.3v稳压电源，接内部参考电压的外围电阻r301精度要在0.5%以上，且选用质量较好的电感、电容等器件。
为了指示网络节点的运行状态，在硬件设计中加入两个状态指示灯，使用220欧的限流电阻，分别接在微处理器芯片的p10、p11口，用于指示设备入网、退网等状态，方便开发人员观察，指示灯为可选电路，可根据需求选择使用。
3.3 pcb设计
cc2530的zigbee网络节点pcb设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。
在元件布局尽量紧凑、美观；在数字信号线走线上做到自然、平滑；高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；节点接口分布采用ti标准接口形式，结构稳固可靠。
由于cc2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的外围辅助电路[3]，因此pcb的设计要完全适合无线传感器网络应用。
本设计中zigbee网络节点pcb图和实物如图5所示。
pcb板的尺寸为长宽高25mm×41mm×1.6mm，接口为11×2双排插针，间距2.54mm。
接口管脚定义为ti的标准接口。
图5 通信模块图
3.4 硬件测试
经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米；最大输出功率10dbm；接收灵敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。
该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个rs232接口。
4 结束语
本文介绍了zigbee网络节点设计要求、性能特点与构建框架和较为详尽的设计过程；给出了外围电路的设计以及实际设计出的实物和元器件参数；无线射频部分的特点和pcb设计中的注意事项。