隨著傳感器技術、DSP技術、計算機技術和芯片技術的快速發展， 無線傳感器網絡和短距離無線個人局域網技術得到了飛速發展。世界各大半導體公司都相繼研發出了基于ZigB ee技術的SOC芯片， 使得Z igBee技術能夠在很小的空間以很高的性能得以實現， 并在各方面應用中越來越體現出其優勢。

　　TI的CC2430是業界首款可提供超強特性的ZigBee SoC解決方案。它將領先CC2420 RF收發器的出色性能與業界標準增強型MCU 的8kBRAM 與豐富的外設集完美結合。ZigBee技術被列為當今世界發展最快、市場前景最廣闊的十大最新技術之一， 其傳輸距離約為70m 左右， 網路架構具備M aster /S lave屬性， 并可達到雙向通信共用。因此， 設計開發出一種高可靠性的無線傳感器模塊成為新的研究熱點。

　　2 Z igBee技術簡介

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復雜性、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術， 一種介于無線標記技術和藍牙技術之間的技術方案。主要用于近距離無線連接， 是一組IEEE 批準通過的802.15. 4無線標準開發的有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。ZigB ee聯盟還開發了安全層， 以保證這種便攜設備不會意外泄露其標識， 而且這種利用網絡的遠距離傳輸不會被其他節點獲得。它依據IEEE802. 15. 4 標準能在上千個微小的傳感器之間相互協調實現通信， 可完成數據的采集、量化、處理、融合及傳輸。

　　ZigBee以一個個獨立的工作節點為依托， 通過無線通信組成星狀、片狀或網狀網絡。因此， 每個節點的功能并非相同， 為降低成本， 系統中大部分的節點為子節點。從組網通信上， 它只是其功能的一個子集， 成為精簡功能設備。簡單的控制應用， 傳輸的數據量較少， 對傳輸資源和通信資源占用不多， 可以采用非常廉價的實現方案， 在網絡結構中一般作為通信終端。另外還有一些節點， 負責與所控制的子節點通信， 稱之為全功能設備(也成為協調器)。需要功能相對比較強大的MCU， 一般在網絡結構中用作于網絡控制和管理功能， 還要完成成員身份管理、鏈路狀態信息管理以及分組轉發等任務。

　　3 無線網絡的通信協議

　　完整的Z igBee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigB ee 聯盟制定， IEEE802. 15. 4負責物理層和鏈路層標準。PHY 層由射頻收發器以及底層的控制模塊構成。MAC 子層為高層訪問物理信道提供點到點通信的服務接口。應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigB ee網絡上。

　　物理層提供了媒體訪問控制層與無線物理通道之間的接口， 主要完成激活/休眠無線收發設備、對當前頻道進行能量檢測、鏈路質量指示、為載波檢測多址與避免碰撞( CSMA - CA )進行空閑頻道*估、頻道選擇、數據的發送及接收等。

　　MAC子層運用CSMACA 機制來訪問無線通道。其功能包括發送信標幀( beacon frames)、同步以及提供一個可靠的傳輸機制。

　　網絡層負責拓撲結構的建立和維護、命名和綁定服務， 它們協同完成尋址、路由及安全等任務。網絡層主要考慮基于adhoc技術的網絡協議。

　　應用層定義了各種類型的應用業務， 是協議棧的最高層用戶。應用層主要負責將不同的應用映射到ZigBee網絡上， 具體包括: 安全與鑒權、多個業務數據流的會聚、設備發現和業務發現等。

　　4 系統設計與實現

　　該模塊根據無線傳感器網絡由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成， 通過無線通信方式形成一個多跳自組織網絡。其發射功率可調、波特率可調以及數據響應格式可改變， 以實現更加可靠、穩定地傳輸數據， 同時大大降低誤碼率。由于ZigBee無線通信網絡標準具有支持極低成本、易實現、可靠的數據傳輸、短距離操作、極低功耗、各層次的安全性等優點， 它比較符合所設計模塊的要求， 因此無線數傳模塊系統選用了基于ZigB ee 的通信方式。

　　測試系統總共由50個節點組成， 網絡拓撲結構為網狀網絡。50個節點之間互相收發數據， 測試其數據通信功能、穩定性及通信距離。其總的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統框圖1: 數據發送; 2: 數據接收

　　由結構框圖知， PC機1發送的數據通過串口連接到無線數傳模塊， 然后通過天線將數據發送到另一個無線數傳模塊， 最后通過串口發送到PC 機2上。對于PC 機2也是相同的過程， 這樣完成數據的收發， 其中的兩個無線數傳模塊完全相同。

　　4. 1 硬件設計

　　該無線傳輸模塊主要由以下幾部分組成: CPU部分、射頻部分和接插件、天線以及測試底板。CPU部分由CC2430 及其輔助電路組成。CC2430 芯片是Ch ipcon公司生產的首款符合ZigBee技術的2.

　　4GH z射頻系統單芯片， 適用于各種ZigBee或類似Z igBee的無線網絡節點， 包括調諧器、路由器和終端設備。CC2430芯片延用了以往CC2420 芯片的結構， 在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位微處理器， 具有32/64 /128Kb可編程閃存和8Kb的RAM， 還包含模/數轉換器、定時器、AES- 128安全協處理器、看門狗定時器、32KH z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的連接主要考慮復位電路、晶振、天線和必要的阻抗元件設計。

　　射頻部分主要由功率放大器( PA )和低噪聲放大器( LNA )組成。在發送數據的過程中加入功率放大器， 因為功率放大器的發射功率可達到20多dBm， 將會大大提高傳輸距離。同樣接收時加入低噪聲放大器， 因為低噪聲放大器的增益可達13db左右， 將會提高傳輸數據的可靠性和準確性。接插件的設計主要是為了方便模塊的替換。天線的設計也是很重要的， 由于2. 4GHz的無線電波屬微波頻段中的低頻段， 沿直線傳播。在短距離無線通信技術應用中， 對通信距離非常敏感。決定通信距離的因素有兩個: 系統的動態范圍和電磁波的傳播損耗。

　　應該注意的是使用天線時， 天線與CC2430的射頻收發器必須相匹配， 否則此無線數傳系統的傳輸距離很近。測試底板主要是為了測試和調試， 包括USB轉UART 、電源、指示燈， 調試串口等部分。

　　一方面實現從計算機的U SB 串口接到調試串口上并通過USB 轉UART， 從而與上位機連接， 實現對無線數傳模塊進行調試; 另一方面可以對上面的無線數傳模塊供電。圖2為無線數傳模塊的結構框圖。

圖2 無線數傳模塊的結構框圖。

　　4. 2 軟件設計

　　無線數傳模塊與上位機的串口通訊程序是用微軟公司的開發工具M icroso ft V isual Studio 2005來開發的， 主要采用VB來開發， 對模塊的配置和數據通信進行了設置和讀取。根據數據通信協議， 設計和開發了基于VB 的上位機測試配置軟件。建立并試驗了無線傳感器網絡的實驗， 利用軟件對模塊數據通信做了實際測試， 并實際測試了其通信距離(可達2Km)和穩定性， 實現了無線傳感器網絡的數據通信功能， 同時對測試結果進行了分析。以下是用Ag ilent和TEK 頻譜分析儀測試的頻譜如圖3- 圖4所示。

　　圖4是在發射功率為20. 08 dBm 下的測試圖，其中EVM ( 矢量幅度誤差) ( RMS 有效值) 為7. 39% ， EVM ( Peak峰值)為16. 11%。

圖3 安捷倫公司頻譜分析儀上的測試圖。

　　該測試結果證明: 在保證數據可以通信80%以上的時候， 傳輸距離大部分都可以達到2Km 以上，并且各個無線路由器節點的路由功能也正常。根據理論計算， 在沒有建筑物和其它東西遮擋的情況下，覆蓋范圍可達幾十平方公里以上。

圖4 泰克公司頻譜分析儀上的測試圖。

　　5 結束語

　　總而言之， 該無線數傳模塊選擇了TI的SOC芯片， 該芯片的內部設計和外圍接口不但降低了設計的復雜程度， 而且給調試帶來很大的方便; 又工作于2. 4GHz的全球免費、免申請頻段， 便于推廣到各個應用和各個地方; 加上光纖傳感器的優點， 與其結合， 將來一定可以可靠的應用到各個領域。

　　從軟件方面考慮， 可以靈活控制外設的工作模式， 比較容易控制自身的功耗。串口芯片的使用大大降低了系統中接口設計的復雜性， 實現了數據與主機的快速通信， 也使系統的調試過程大大減化。