可靠传输
Reliable Transmission
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姜绍君，王忠健
（大连理工大学城市学院，辽宁 大连 116600）
摘 要：基于CC2530构成的系统可以进行可靠的短距离无线数据传输。CC2530内部集成了符合IEEE 802.15.4协议的2.4 GHz 无线数据收发器，通过设置无线数据收发器相关寄存器的参数，能够灵活实现IEEE 802.15.4协议物理层和MAC 层的规定。实验表明，该系统能够准确、高效地进行无线数据传输。 关键词：无线通信；CC2530；抗干扰；数据传输
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2018）
10-0029-02————————————————
收稿日期：2018-05-04 修回日期：2018-06-06
基金项目：辽宁省2016年大学生创新创业训练计划项目
（201613198008）
DOI ：10.16667/j.issn.2095-1302.2018.10.006
0 引 言
地源热泵系统随着半导体技术、无线通信技术的迅猛发展，短距离无线通信需求不断增加。目前，短距离无线通信的技术标准包括WiFi 技术、蓝牙技术、ZigBee 技术。其中，ZigBee 技术具有低速率、低功耗、灵活组网等特点，被广泛应用于无线传感器网络领域。TI 公司设计生产的CC2530是一个满足ZigBee 技术标准的系统级SoC 芯片，TI 公司还开发出基于CC2530芯片，符合ZigBee 技术标准的软件包Z-Stack 协议栈[1-3]。Z-Stack 协议栈是一个复杂的软件包，仅为用户提供应用函数接口，用户无法灵活实现数据通信。因此，本文详细说明了CC2530的无线射频参数、数据传输的帧格式及数据收发的流程控制，用户可以开发适合自己工程应用的无线通信系统。1 硬件设计1.1 CC2530处理器 CC2530内部主要包含增强型8051微控制器、无线数据收发器以及其他相关模块，其具有高集成度、低电压、低功耗等特点[4]。其中，无线数据收发器支持IEEE 802.15.4协议，通信频率为2.4 GHz ，传输速率为250 kbps ，非常适用于短距离无线通信。由于无线通信采用直接序列扩频技术，具有抗噪声干扰等优点，因此，即使发射信号功率较低也能实现准确的数据通信。1.2 外设电路
CC2530的电路系统如图1所示。CC2530芯片的引脚包含P0端口、P1端口、P2端口、XOSC_Q1和XOSC_Q1晶振引脚、RESET_N 复位引脚、RF_N 和RF_P 射频信号引脚以
及电源VDD 和GND 等[5-6]，外设由天线、时钟、复位系统、电源等组成。
图1 CC2530的电路系统
2 软件设计
为了实现无线数据传输，需要对CC2530芯片进行编程控制，包含载波频率的选择、发射功率的控制、通信数据帧格式的设置、数据收发过程的控制等。2.1 载波频率和输出功率
根据IEEE 802.15.4—2006协议规定[7]，CC2530芯片内部可选择16个载波频率进行数据传输，频率范围在2.405～2.480 GHz 之间，中心频率间步长为5 MHz ，通道编号k 为11～26。通道k 的实际频率表达见式（1）：
f c = 2 405+5（k －11），k ∈[11，26] （1）
为了得到通道k 的频率，通过寄存器REQCTRL.FREQ[6：0]的7位数可以设置频率，频率设置见式（2）：
FREQCTRL.FREQ=11+5（k －11），k ∈[11，26] （2）氨基酸水解
在满足一定通信距离的条件下，为了降低功耗，应尽可能选择较低的发射功率，由TXPOWER 寄存器控制输出不同
物联网技术 2018年/第10期
小型甘蔗榨汁机30的发射功率。发射功率设置见表1所列。
表1 发射功率设置
TXPOWER 输出功率/dBm
0xF5 4.50xE5 2.50xD510xC5-0.50xB5-1.50xA5-30x95-40x85-60x75
-8
2.2 通信数据帧格式
CC2530芯片收发的数据支持IEEE 802.15.4—2006的帧格式[8]，IEEE 802.15.4—2006的帧格式如图
2所示。帧引导序列和帧开始定界符（SFD ）构成的同步头（SHR ）是CC2530芯片硬件自动生成的无线通信同步信息，PHY 头（PHY ）和PHY 数据服务单元（PSDU ）（MAC 协议数据单元）是软件编程的有效数据，开发人员参考IEEE 802.15.4—2006帧格式的内容说明来设置相应的参数。
图2 IEEE 802.15.4—2006的帧格式
2.3 数据收发过程
数据发送过程如图3所示[9]。
（1）按照帧长度、MAC 头和MAC 负载的先后顺序，使用RFD 寄存器将它们写入数据缓冲器TX_FIFO 中，TX_FIFO 最多可以存放128 B 数据，且一次只能产生一帧；
（2）CPU 向无线收发器发出STXON 或STXONCCA 选通指令，无线收发器将TX_FIFO 中的数据全部输出；
（3）在成功发送一个完整的数据帧后，产生TX_DONE 中断信号。
数据接收过程如图4所示。
（1）CPU 向无线收发器发出SRXON 选通指令，无线收发器准备接收数据；
（2）在接收一帧数据的过程中，帧引导序列和帧开始定界符SFD 不会写入数据缓冲器RX_FIFO ，只有帧长度、MAC 头和MAC 负载的有效数据会写入RX_FIFO 中；
（3）在准确接收一帧数据后，产生RXOK 中断信号。3 通信抗干扰性设计
在无线通信过程中，极易受各种各样的电磁波干扰，例
如自然界的雷电干扰、电器设备故障干扰、地面电磁环境干扰等，这些干扰严重影响通信质量。CC2530芯片采用直接序列扩频（DSSS ）技术和循环冗余校验（CRC ）算法，可以保证数据传输的可靠性。
图3 数据发送过程 图4 数据接收过程
直接序列扩频技术是一种增加发射信号带宽的通信技术[10]，发射后的扩频信号与发射前原始信号的频带宽度之比范围为10～100。接收数据时，经过解扩处理降低干扰信号的功率谱密度，可有效抑制干扰信号。同时也能够有效抑制相邻信道的干扰，阻塞假象频率的信号。
循环冗余检查（CRC ）算法是数据通信领域中最常用的
检错纠错方法。CC2530芯片支持IEEE 802.15.4-2006帧格式，在帧结构中MAC 协议数据单元的帧尾
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包含一个16位的帧校验序列（FCS ），FCS 是基于ITU-T 标准的16位循环冗余校验（CRC ）算法。在发送数据时，FCS 由硬件自动生成，在接收数据时，FCS 由硬件自动验证。如果传输的数据受到干扰，FCS 验证出错，接收的数据不会写入RX_FIFO 中。4 结 语
综上所述，本系统可以灵活设计无线射频参数和无线通信数据帧，控制数据收发过程。实验表明，整个系统具有功耗低、抗干扰性强、软件设计灵活等特点，非常适用于智能家居监控、农业大棚的温湿度监测、路灯照明的智能控制等领域。
参考文献
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（下转第34页）
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34品MCU 与NB-IoT 网络无关，属于客户电路板，其工作电流和休眠电流是NB-IoT 产品的主要功耗，约占据整体功耗的2/3。
图7 各信号强度下某水表使用年限
上文主要从NB-IoT 产品本身的节电技术方面进行分析，阐述了网络参数对功耗的影响。但部分网络的参数配置并不属于节电策略，恰好与NB 模块的低功耗设计策略关联，导致功耗出现大幅变化，如NPDCCH （窄带物理下行控制信道）周期T 配置的影响。
NPDCCH 的周期=USS 重复次数（T R max ）×USS 开始子帧（G ）
在芯片厂家的设计中，会引入一些低功耗设计，如规定芯片中的单元电路出现一定时长的空闲时间时，此单元就会关闭。R max ，G 有多种取值，可形成不同的组合，这些组合使得在一个NPDCCH 周期T 内出现不同的空闲时间，如果空闲时间大于芯片设计的低功耗策略时间，芯片会关闭射频单元，反之，射频单元不关闭。对比图8所示的NPDCCH 不同周期配置RRC-Connected 电流图可知，在32 ms 周期的前提下，由于1×32只需监听（R max ）1次，因此出现了较多空闲时间，所以射频单元关闭，形成如图所示方波，平均电流为33 mA （国产芯片为12 mA ）。而16×2需要监听16次，空闲时间较少，所以射频单元不关闭，形成如图所示直线，电流为48 mA 。同样，不同周期也会由于G 的取值不同，导致周期内空闲时间不同，影响射频单元关闭。
图8 NPDCCH 不同周期RRC-Connected 电流图5 结 语
通过对NB-IoT 低功耗技术的分析和应用，可以看到低功耗是NB-IoT 的重要特性，在3GPP 协议中虽设计了众多节电技术，如PSM ，eDRX 等，但节电技术的应用需要配合具体的物联网终端产品需求与应用场景，需要考虑网络参数的配置和覆盖等级与用户电路板（MCU ）的功耗等。随着技术的发展，可以预见在不久的将来，我们将处于低功耗NB-IoT 产品的包围中。
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作者简介： 姜绍君（1974—），
男，辽宁省大连人，硕士，副教授。研究方向为无线传感器网络。王忠健（1996—），
男，辽宁省大连人，本科。研究方向为嵌入式系统开发。（上接第30页）
