??? 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規范的無線收發芯片（CC2430）組成信息無線傳輸模塊，給出了完整的系統設計及軟件實現方案。
??? 關鍵詞： 無線傳輸? ZigBee? CC2430
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??? 在現有工業生產的信息檢測中，大部分都采用數據有線傳輸的方式，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、低數據速率、低成本的雙向無線通信技術，主要適合于自動控制、遠程數據采集" title="數據采集">數據采集等領域[1]。
1 系統方案的構成
??? 整個系統按照運行的流程大致分為三個部分：終端節點設備、中心節點設備、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點設備，中心節點負責數據和命令信息的轉發，上位機端通過相應的監控程序，發出采集命令，同時接收并顯示終端傳送來的數據信息，對數據加以管理。其系統整體構架如圖1所示。
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2 系統的實現
2.1 無線節點的芯片選擇
??? 終端節點和中心節點的核心部分就是無線芯片， 本系統中選擇了CHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。它內含1個8位MCU(8051)，具有128KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、1個符合IEEE 802.15.4規范的MAC計數器、1個常規的16位計時器和2 個8 位計時器、AES 128協同處理器、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，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉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兼容的無線收發芯片，其工作頻段是2.405GHz～2.48GHz，數據傳輸速率為250kbps，采用O-QPSK調試方式。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，整個結構滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。內部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。電壓調節器為所有要求1.8V電壓的引腳和內部電源供電，C1和C7 是去耦合電容,用來電源濾波,以提高芯片工作的穩定性。
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2.3 系統軟件設計
2.3.1 拓撲結構
??? 針對該系統的實際應用場合，網絡拓撲采用典型的星型結構：一個中心節點擔任網絡協調器，其他各測點相當于無線傳感器網絡中的RFD節點，只與中心節點通信，其網絡初始化流程如圖3 所示。
2.3.2 底層協議
??? 本系統屬于點對多點通信，通信協議分為三層來實現。第一層為物理層，第二層為數據鏈路層，第三層為應用層" title="應用層">應用層。物理層和數據鏈路層由CC2430芯片硬件實現，屬于Zigbee協議范圍，其結構簡圖如圖4 所示。物理層負責硬件最底部的數據收發，數據鏈路層的上半部為邏輯鏈路控制LLC(Logical Link Control)子層，負責將數據正確地發送到物理層;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。MAC層定義了4種幀結構:數據幀、信標幀、確認幀和命令幀，如圖4 所示。當發送數據時，MAC層首先按規則從LLC層接收數據，然后執行媒體訪問規程，查看網絡是否可以發送;一旦網絡可以發送，它將給數據附加上一些控制信息，把數據及控制信息以規定的格式(即幀)送往物理層。當接收數據時，MAC層從物理層接收到數據幀并檢查數據幀中的控制信息，判斷是否發生傳輸錯誤，如數據正確，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的關鍵部分，它體現了整個系統的功能，通過對整個系統的分析，應用層軟件大致可分為終端數據采集部分和中心節點部分。系統復位時終端節點先進行硬件初始化，選擇通信信道，置收發標志位。節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以降低其能耗。當有傳輸請求時，馬上進入工作狀態，先解析請求命令并回應，然后采集數據并發送，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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??? 中心節點應用程序功能是將主機端監控程序發送的數據請求信號發送出去，另外還要接收終端采集的數據并上傳給上位機。復位時進行系統初始化并開中斷，置標志位ST,完成后系統進入休眠模式（ST=00）。當上位機有數據采集要求時，通過串口與之通信，此時將會觸發系統的串口中斷激活系統。隨后，中斷服務程序將系統置為發送命令狀態（即ST=01），先解析命令信號，接著將命令信號打包發送出去，發送成功后將進入等待接收數據模式(即ST=10)。此后，如果有數據發送過來，底層將數據上交到應用層后，就直接將數據通過串口上傳給上位機，完成一次數據傳輸。其程序流程如圖6所示。
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??? 上位機和中心節點的通信采用RS232C串行數據通信，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個數據位、1個停止位，無奇偶校驗位，速率為57 600bps，數據傳輸采用“停止－等待”協議模式。
3 試驗調試開發平臺" title="開發平臺">開發平臺
??? 本系統試驗所用的開發平臺為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源水平調試的功能，能實現對CC2430芯片節點的實時在線仿真/調試/測試。所用的集成開發環境是IAR Embedded Workbench for MCS-51，一個與KELLC51類似的功能強大的C51編譯器/IDE/DEBUG開發平臺。運用該開發平臺，本信息傳輸系統能順利地調試成功，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之內的星型網絡，增加發射功率可以增大通信的距離。
??? Zigbee技術是一種新興無線網絡數據傳輸技術，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，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境得到了驗證，此外本方案有很大的系統升級空間，通過移植更好的組網Zigbee協議，能組成分布式大范圍內的數據采集無線傳輸網絡，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.無線傳感器網絡及ZigBee技術的應用研究[D].合肥工業大學，2006.
[4] ?陳凱，楊曉非. 基于Zigbee芯片的數據采集系統在鋼絲繩無損檢測中的應用[J].工業控制計算機，2006，19（6）:55-59.