摘要：ZigBee技术是一种短距离无线数据传输技术，它具有许多其它通信技术不具备的特性。设计一种基于ZigBee技术的无线数据传输系统，采用以CC2530芯片为核心的通信模块组建无线传感网络，重点介绍无线数据传输模块的硬件设计。对整个ZigBee通信系统进行了抗干扰分析，提高数据传输的可靠性及抗干扰能力。
关键词：ZigBee技术；无线传输；抗干扰；CC2530芯片
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)10-2412-03
System of Wireless Data Communication and Analysis of Anti-interference Based on ZigBee Technology
LIU Xu-fei1,LI Xiao-hui1,LIANG Xin-yu2
（1.Chongqing Radio & TV University,Chongqing 400052, China；2. Security Corps of Chongqing Public Security Bureau, Chongqing 400001, China )
Abstract：ZigBee technology is a new short-range technology for wireless communication, it has more characteristics than other communication technology. System of wireless data communication is designed base on ZigBee technology, it make use of communication module whose core is CC2530 chip, with the emphasis on the hardware design of wireless data communication module. Analysis of anti-interference to the whole ZigBee communication system, it improve reliability of data communication and ability of anti-interference.
Key words: ZigBee technology;wireless communication;anti-interference;CC2530 chip
ZigBee技术[1]是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。ZigBee协议是专为低速率传感器和控制网络设计的无线网络协议，它可通过全球共用的公共频率2.4GHz(提供16个信道)应用于距离短、功耗低的各种电子设备之间进行数据传输，如远程监测、工业控制网络等领域。
相对于其他的短距离无线通信技术（蓝牙、Wi-Fi），ZigBee技术有许多优势[1,2]，比如：数据传输速率低，功耗低、成本低，网络容量大、时延短，网络的自组织、自愈能力强、通信可靠，数据安全、工作频段灵活等特性。因此，可利用ZigBee技术建立无线传感器网络进行无线数据传输，具有广泛的应用前景。
1无线传输系统结构
由于ZigBee技术是建立在IEEE 802.15.4标准之上的，可搭建一个无线传感器网络来实现数据的无线传输。基于ZigBee技术的无线传输系统定义了网络层和应用层框架，主要确定了三种设备[1,5]：ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee设备终端。ZigBee终端设备为采集数据的终端节点，通过接口与传感器数据采集模块相连，直接与路由器通信传输数据而不参与路由选择。ZigBee路由器[7]作为远程设备之间的中继器来进行通信，能够用来拓展网络的范围。ZigBee协调器通过接口与上位机相连，其主要功能是为建立和启动网络这一过程设置参数，其中包括选择一个射频信道，唯一的网络标识以及一系列操作参数。上位机可利用LabVIEW实现数据处理、显示与存储。无线传输系统结构如图1所示。
图1无线传输系统结构图
2ZigBee网络节点构成
ZigBee网络节点主要由传感器数据采集模块、信号调理模块、无线通信(数据收发)模块构成。传感器数据采集模块模块主要由各种类型的传感器和AD/DC转换等子模块构成，其主要功能是利用传感器将各种被测量转换成电信号输出，然后将传感器输出的信号进行放大、滤波、数模转换等。处理器模块是ZigBee网络节点的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据融合和数据转储程序都将在这个模块的支持下完成。无线通信模块根据ZigBee网络的特性，主要利用无线通信协议的物理层和MAC层的技术。通过射频芯片完成信号的发射与接收。其硬件原理框图如图2所示。
图2 ZigBee网络节点构成框图
3无线数据传输模块硬件设计
根据目前国内外现有典型的无线传感器网络节点选用的芯片类型，主要有两种方式[3]：一种是采用独立的MCU+射频芯片，另一种是集成了MCU+射频芯片的SOC。若ZigBee网络节点主要是由MCU与无线通信模块的组合，这必然需要人为的布置MCU与无线通信模块的连接，这种组合连接方式的兼容性与芯片之间数据传输可靠性不如集成方式强。因此，该文选用集成了MCU与射频收发器的通信模块。在无线通信模块中采用CC2530芯片，CC2530芯片[10]是用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其他强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。CC2530具有一个IEEE 802.15.4兼容无线收发器，RF内核控制模拟无线模块。它提供了MCU和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据包过滤和地址识别模块。CC2530具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、晶振等少量的的外围电路元器件就能在2.4GHZ的频段上工作，其无线通信数据收发原理图如图3所示。
图3 CC2530的无线数据收发原理图
4无线传输系统抗干扰分析
4.1 ZigBee技术抗干扰分析
ZigBee技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰[4]，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力，ZigBee系统采用的是直序扩频技术[7,8](DSSS)，DSSS采用全频带传送数据，使得原来较高的功率、较窄的频率变成较宽的低功率频率，以有效控制噪声，是一种抗干扰能力极强，保密性，可靠性都很高的通信方式。
4.2无线射频收发模块抗干扰分析
CC2530射频电路工作2.400GHz～2.4835GHz高频率工作频段[10]，抗干扰设计直接关系到射频部分的性能和整个传感器节点的运转情况[7,9]。合理的布局和布线设计及采用多层板既是布线所必须的也是降低电磁干扰提高抗干扰能力的有效手段。射频电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF屏蔽达到有效抗干扰的目的；CC2530芯片底部应该接地，为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将芯片底部和地层相连；尽可能地减少串扰，减少分布参数的影响，所有的元器件要尽可能紧密地分布在CC2530的周围，并使用较小封装。
4.3上位机系统抗干扰分析
由于经传感器采集到的信号通常带有某种干扰信号，通过无线传输到上位机系统。因此，在上位机系统中需去除干扰信号，获得有效的目标信号。通常在上位机系统利用干扰信号与目标信号不相关性，对信号做数字相关处理，去除干扰。
5结束语
该文基于ZigBee技术建立无线传输系统，实现了短距离的无线数据传输。为了降低功耗与成本，增强数据传输的安全性，采用以CC2530射频芯片为核心的无线通信模块，设计了ZigBee网络节点，构成了一个完善的无线数据传输系统。为了避免干扰信号的影响，对整个系统各方面进行抗干扰性分析，优化系统模块设计，大大提高了系统的数据传输可靠性及抗干扰能力，因而具有广泛的应用价值。
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