摘 要： 针对信息检测中遇到的有线布线困难及工程造价高等情况，给出了一种无线解决方案,利用满足Zigbee规范的无线收发芯片（CC2430）组成信息无线传输模块，给出了完整的系统设计及软件实现方案。
    关键词： 无线传输  ZigBee  CC2430

    在现有工业生产的信息检测中，大部分都采用数据有线传输的方式，但是在有些场合有线布线显得很困难，工程造价又高，且维修和改造都很不方便。新兴的Zigbee技术正好解决了这一难题，它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于自动控制、远程数据采集" title="数据采集">数据采集等领域^[1]。
1 系统方案的构成
    整个系统按照运行的流程大致分为三个部分：终端节点设备、中心节点设备、上位机" title="上位机">上位机部分。传感器仪表加装无线通信模块构成终端节点设备，中心节点负责数据和命令信息的转发，上位机端通过相应的监控程序，发出采集命令，同时接收并显示终端传送来的数据信息，对数据加以管理。其系统整体构架如图1所示。

2 系统的实现
2.1 无线节点的芯片选择
    终端节点和中心节点的核心部分就是无线芯片， 本系统中选择了CHIPCON公司的CC2430芯片。CC2430在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它内含1个8位MCU(8051)，具有128KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计数器、1个常规的16位计时器和2 个8 位计时器、AES 128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振" title="晶振">晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及21个可编程I／O引脚。CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的场合。
    CC2430是一款Zigbee兼容的无线收发芯片，其工作频段是2.405GHz～2.48GHz，数据传输速率为250kbps，采用O-QPSK调试方式。该频带划分为16个信道，每个信道占5MHz的带宽。采用直接序列扩频(DSSS)的方式，由于传输速率低而且所占带宽大，所以其信道的信噪比很大，且其集成度很高，其应用前景很好^[2]。

2.2 无线模块的硬件设计
    硬件接线如图2 所示，其中芯片CC2430只给出了所用到的管脚。使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器使接收性能更好，电路中的非平衡变压器由电容C4和电感L3、L1、L2 以及一个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。内部T/R 交换电路完成LNA与PA之间的交换。R1和R2为偏置电阻，电阻R2主要用来为32MHz的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32MHz的石英谐振器（XTAL1）和2个电容（C5和C6）构成一个32MHz 的晶振电路。用1个32.768kHz 的石英谐振器（XTAL2）和2个电容（C2 和C3）构成一个32.768kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8V电压的引脚和内部电源供电，C1和C7 是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。

2.3 系统软件设计
2.3.1 拓扑结构
    针对该系统的实际应用场合，网络拓扑采用典型的星型结构：一个中心节点担任网络协调器，其他各测点相当于无线传感器网络中的RFD节点，只与中心节点通信，其网络初始化流程如图3 所示。

2.3.2 底层协议
    本系统属于点对多点通信，通信协议分为三层来实现。第一层为物理层，第二层为数据链路层，第三层为应用层" title="应用层">应用层。物理层和数据链路层由CC2430芯片硬件实现，属于Zigbee协议范围，其结构简图如图4 所示。物理层负责硬件最底部的数据收发，数据链路层的上半部为逻辑链路控制LLC(Logical Link Control)子层，负责将数据正确地发送到物理层;下半部为MAC(Media Access Control)子层，负责控制与连接物理层的物理介质。MAC层定义了4种帧结构:数据帧、信标帧、确认帧和命令帧，如图4 所示。当发送数据时，MAC层首先按规则从LLC层接收数据，然后执行媒体访问规程，查看网络是否可以发送;一旦网络可以发送，它将给数据附加上一些控制信息，把数据及控制信息以规定的格式(即帧)送往物理层。当接收数据时，MAC层从物理层接收到数据帧并检查数据帧中的控制信息，判断是否发生传输错误，如数据正确，则去掉控制信息后把其送至LLC层。MAC层使用时隙化的载波侦听和冲突避免的信道接入算法(CSMA-CA)，能有效地避免冲突的产生^[3-4]。

2.3.3 应用层软件设计
    应用层软件是本系统的关键部分，它体现了整个系统的功能，通过对整个系统的分析，应用层软件大致可分为终端数据采集部分和中心节点部分。系统复位时终端节点先进行硬件初始化，选择通信信道，置收发标志位。节点可采取需求唤醒的工作机制，没请求时使之进入休眠状态以降低其能耗。当有传输请求时，马上进入工作状态，先解析请求命令并回应，然后采集数据并发送，完成后若没有出错信息或请求则又进入低功耗的休眠，等待下个命令的激活，其程序流程如图5 所示。

    中心节点应用程序功能是将主机端监控程序发送的数据请求信号发送出去，另外还要接收终端采集的数据并上传给上位机。复位时进行系统初始化并开中断，置标志位ST,完成后系统进入休眠模式（ST=00）。当上位机有数据采集要求时，通过串口与之通信，此时将会触发系统的串口中断激活系统。随后，中断服务程序将系统置为发送命令状态（即ST=01），先解析命令信号，接着将命令信号打包发送出去，发送成功后将进入等待接收数据模式(即ST=10)。此后，如果有数据发送过来，底层将数据上交到应用层后，就直接将数据通过串口上传给上位机，完成一次数据传输。其程序流程如图6所示。

    上位机和中心节点的通信采用RS232C串行数据通信，串行口的通信方式为异步串行通信，信息格式为1个起始位、8个数据位、1个停止位，无奇偶校验位，速率为57 600bps，数据传输采用“停止－等待”协议模式。
3 试验调试开发平台" title="开发平台">开发平台
    本系统试验所用的开发平台为C51RF-3-BK，在线仿真器通过USB接口直接连接到电脑上，并连到CC2430的ZigBee无线单片及目标板，具有代码高速下载、在线调试DEBUG、硬件断点、单步、变量观察、寄存器观察等全部C51源水平调试的功能，能实现对CC2430芯片节点的实时在线仿真/调试/测试。所用的集成开发环境是IAR Embedded Workbench for MCS-51，一个与KELLC51类似的功能强大的C51编译器/IDE/DEBUG开发平台。运用该开发平台，本信息传输系统能顺利地调试成功，在没有中继路由的情况下，能组成多点对一点的半径范围为100m之内的星型网络，增加发射功率可以增大通信的距离。
    Zigbee技术是一种新兴无线网络数据传输技术，为人们提供了一种全新的获取信息、处理信息的途径。本文将该技术应用到信息检测系统，能有效地解决以往信息检测中所存在的布线难、能耗大、维护和检修难的问题，提高了效率。本文所给出的这种解决问题方案在实验室环境得到了验证，此外本方案有很大的系统升级空间，通过移植更好的组网Zigbee协议，能组成分布式大范围内的数据采集无线传输网络，更加灵活方便。
参考文献
[1] 孙利民，李建中，陈渝，等．无线传感器网络[M]． 北京：清华大学出版社，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]  冯琳.无线传感器网络及ZigBee技术的应用研究[D].合肥工业大学，2006.
[4]  陈凯，杨晓非. 基于Zigbee芯片的数据采集系统在钢丝绳无损检测中的应用[J].工业控制计算机，2006，19（6）:55-59.