IEEE 802．15．4的CC2530无线数据收发设计
摘要：基于TI公司的CC2530实现了IEEE 802．15．4(ZigBee)的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)协议；在分析CSMA-CA算法的基础上，重点讨论了片内集成的命令选通／CSMA-CA处理器的工作机制，同时组建了一个小型星状网络。测试结果表明，在节点通信范围内，节点收发的成功率和正确率均达到了100％。
引言
基于IEEE 802．15．4的无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是综合了传感器技术、信息处理技术和无线通信技术，采用大量的节点覆盖监测区域，形成一个自组织网络系统，目前已在自动控制、环境监测等领域得到广泛的应用。在对无线传感器网络MAC层深入研究的基础上，结合TI公司SoC芯片CC2530，实现了节点间的点对点通信功能，为研究上层协议打下了基础。
1 CC2530芯片简介
CC2530是TI公司针对2．4 GHz ISM频带推出的第二代支持ZigBee／IEEE 802．15．4协议的片上集成芯片。其内部集成了高性能射频收发器、工业标准增强型8051MCU内核、256 KB Flash ROM和8 KB RAM。其主要特性：具有2个USART、8位和16位定时器、看门狗定时器、8路输入可配置的12位ADC、21个GPIO、AES128协同处理器，硬件支持CSMA-CA、数字化的RSSI／LQI和强大的DMA功能，具备电池监测和温度感测功能；支持5种工作模式，且转换时间短，可以较好地满足超低功耗系统的要求；在接收和发送模式下，电流损耗分别为24 mA和29 mA。由于其硬件设计简单，封装小，功耗低，在无线传感器网络中得到了越来越广泛的应用。
2 CSMA-CA机制
IEEE 802．15．4协议中采用CSMA-CA机制来避免数据冲突。根据是否采用信标，网络分为非信标网络和信标网络两种。非信标模式下，节点使用CSMA-CA机制竞争信道：节点随机退避一段时间，执行CCA(空闲信道评估)，若信道IDLE则传送数据，若信道BUSY则重新等待一段随机时间后执行CCA。
在信标网络中，将超帧划分了16个时隙，因此执行的退避时间都是以时隙为单位，CCA在退避周期的边界处开始执行。图1是IEEE 802．15．4标准规定的CSMA-CA算法流程。
每个节点在每次尝试传输时都需要维护3个变量：后退次数NB、竞争窗口CW和后退指数BE。变量NB是尝试当前帧发送过程中CSMA-CA算法执行随机退避的次数，每个新的传输尝试之前NB应初始化为0。在IEEE802．15．4中，定义NB的最大值为4，如果节点经过4次信道忙碌退避后仍然无法接入进行数据传送，则放弃数据传送，并向上层报告。变量CW是竞争窗口的长度，它表示允许发送前要求信道连续空闲的时间，只用于时隙CSMA-CA算法，可以给处理器处理不同时隙留有时间保护带，以免数据帧冲突。BE值的大小影响节点接入信道的能力，若设置得过小，起不到降低冲突的作用；设置得过大，延时作用不明显。IEEE 802．15．4推荐的默认值为3，最大值为5。当BE设为0时，则只进行一次碰撞检测。
3 命令选通协处理器
CC2530片上集成的命令选通协处理器(CSP)提供了MCU和无线电之间的接口，有立即选通命令和程序执行两种模式，可以处理MCU发出的命令。同时还有一个24字节的程序存储器，配合MAC定时器自动执行CSMA-CA算法，充当MCU的协处理器。CSP复位后，指令写指针复位到位置0，在每次RFST写入期间指令写指针累加1，直到程序存储器的终点。另外，CSP还有4个寄存器：CSPT、CSPX、CSPY和CSPZ。MCU可以对它们读写，设置CSP运行所需的参数。程序执行模式下运行一个CSP的流程如图2所示。
4 节点通信实现
4．1 通信机制
CC2530是通过寄存器TXFIFO和RXFIFO来实现数据收发的。发送数据时，往TXFIFO中写入数据，无线电模块自动添加PHY层同步头和FCS，通过选通命令STXON或STXONCCA发送数据；数据接收完成时，产生RXPKTDONE中断，在中断服务程序中通过读取RXFIFO即可。
本文根据IEEE 802．15．4协议，定义了精简的MAC层帧格式，如图3所示。
