IEEE 802．15．4的CC2530無線數據收發設計

摘要：基于TI公司的CC2530實現了IEEE 802．15．4(ZigBee)的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)協議；在分析CSMA-CA算法的基礎上，重點討論了片內集成的命令選通／CSMA-CA處理器的工作機制，同時組建了一個小型星狀網絡。測試結果表明，在節點通信范圍內，節點收發的成功率和正確率均達到了100％。
關鍵詞：無線傳感器網絡；IEEE 802．15．4；CC2530；CSMA-CA

引言
基于IEEE 802．15．4的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是綜合了傳感器技術、信息處理技術和無線通信技術，采用大量的節點覆蓋監測區域，形成一個自組織網絡系統，目前已在自動控制、環境監測等領域得到廣泛的應用。在對無線傳感器網絡MAC層深入研究的基礎上，結合TI公司SoC芯片CC2530，實現了節點間的點對點通信功能，為研究上層協議打下了基礎。

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協議的片上集成芯片。其內部集成了高性能射頻收發器、工業標準增強型8051MCU內核、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協同處理器，硬件支持CSMA-CA、數字化的RSSI／LQI和強大的DMA功能，具備電池監測和溫度感測功能；支持5種工作模式，且轉換時間短，可以較好地滿足超低功耗系統的要求；在接收和發送模式下，電流損耗分別為24 mA和29 mA。由于其硬件設計簡單，封裝小，功耗低，在無線傳感器網絡中得到了越來越廣泛的應用。

2 CSMA-CA機制
IEEE 802．15．4協議中采用CSMA-CA機制來避免數據沖突。根據是否采用信標，網絡分為非信標網絡和信標網絡兩種。非信標模式下，節點使用CSMA-CA機制競爭信道：節點隨機退避一段時間，執行CCA(空閑信道評估)，若信道IDLE則傳送數據，若信道BUSY則重新等待一段隨機時間后執行CCA。
在信標網絡中，將超幀劃分了16個時隙，因此執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行。圖1是IEEE 802． 15．4標準規定的CSMA-CA算法流程。

每個節點在每次嘗試傳輸時都需要維護3個變量：后退次數NB、競爭窗口CW和后退指數BE。變量NB是嘗試當前幀發送過程中CSMA-CA算法執行隨機退避的次數，每個新的傳輸嘗試之前NB應初始化為0。在IEEE802．15．4中，定義NB的最大值為4，如果節點經過4次信道忙碌退避后仍然無法接入進行數據傳送，則放棄數據傳送，并向上層報告。變量CW是競爭窗口的長度，它表示允許發送前要求信道連續空閑的時間，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，以免數據幀沖突。BE值的大小影響節點接入信道的能力，若設置得過小，起不到降低沖突的作用；設置得過大，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BE設為0時，則只進行一次碰撞檢測。