基于ZigBee的点到点通信质量测量仪设计

徐智博，王铭海，张剑楠，吴春姬，李占龙

(1.吉林大学物理学院，吉林长春 130012；2.吉林大学大数据与网络管理中心，吉林长春 130012)

0 引言

ZigBee协议是无线传感器网络的工业标准[1]，具有低功耗、低成本、体积小等特点[2]，广泛应用于楼宇自动化、现场监测等领域[3]。由于节点发射功率较低，节点的安装位置(如距离、遮挡、电磁干扰等)对通信质量会产生很大影响[4]，因此对ZigBee通信质量的测量非常必要。

然而，目前大多数研究者只从NWK层的路由算法入手，对“端到端”的通信质量进行测量和优化[5]，或者提出通过增加路由节点或增大发射功率的方法[6]改善通信质量，而忽略了“点到点”测量的重要性[7]，导致整个网络得不到根本优化，增加了功耗和成本。

在点到点的研究中，文献[4]虽然从理论上推导了ZigBee点到点通信质量的估算方法，但其理论仅局限于户外开阔环境。此外，文献中提及的点到点测量仪器也大都是出于对物体定位的目的[8]，只对RSSI这一个参数进行测量，测量参数单一，且只能测量单程的通信质量，不能满足工程的需要。

为此，本文设计的ZigBee点到点通信质量测量仪是以ZigBee的MAC层数据帧和应答帧为基础，通过两点间通信的方式完成点到点通信质量的定量测量，采用多个参数对通信质量进行联合表征，避免了单一参数的局限性，且可同时对往返路径进行双向测量，使测量效率提升1倍。

1 ZigBee点到点通信质量的评价指标

1.1 RSSI(接收信号强度指示)

接收数据时，对8个连续符号的接收强度取平均值即为RSSI。接收信号的强度越大则RSSI越大，通信质量可能就越好。但此参数只能表征接收到信号强度的大小，若出现高强度的噪声干扰时可能会出现误判，因此仅使用RSSI作为评价指标具有一定局限性。

1.2 LQI(链路质量指示)

由于SFD(帧定界符)具有固定的数据格式，因此可对接收到每一帧的SFD信号的前8个符号与标准格式进行数据相关性计算，得到的结果即为LQI。LQI可表征接收数据的误码率情况，接收误码率越高则LQI值越低，通信质量就越差。虽然LQI能对接收帧的误码率进行表征，但对于未成功接收的帧并不具有表征能力。

1.3 收帧率R

设在一段时间内发送方发出了NTx个帧，接收方在此期间收到了NRx个帧，则R=NRx/NTx×100%。收帧率是从统计的角度描述通信质量，其值越高则通信质量越好。

1.4 评价指标分析

由以上分析可知，单一参数描述通信质量具有一定局限性。因此本设计同时对上述参数进行测量，以求对通信质量进行更全面的描述。

2 系统总体设计

本设计采用2个节点间互相通信的方式进行测量。设两节点分别为A和B，它们的软硬件完全相同，都具有发送和接收功能。当按下其中一个节点的测量键时，便启动了一轮测量。A和B上电后会记录各自在本轮测量中接收的帧数nRx(A)、nRx(B)和发送的帧数nTx(A)、nTx(B),其值在每轮测量结束后清零。本文以A主动发送B被动接收为例，说明测量流程，如图1所示。

图1 系统测量流程

2.1 单程测量流程

当A的测量键被按下时，便会向B发送N个数据帧，每发送一帧都会更新nTx(A)的值。B收到每一帧时都会记录此帧的RSSI和LQI，且更新nRx(B)的值。本轮测量结束后，B会计算A到B的平均RSSI、LQI和收帧率RA→B，最后蜂鸣器响以示本轮中A到B的单程测量结束。其中RA→B的计算式如下：

(1)

当A发送完本轮的N个数据帧时，B也应该立即结束本轮数据的接收，否则可能会因为B的上一轮接收还未完成，A又发起了下一轮测量，导致接收紊乱，影响测量的准确性。而B能否收到N个帧中的具体帧具有不确定性。为解决上述问题，程序约定A会以T/帧的间隔向B发送数据，且每帧中都要包含T、N和当前帧的序号i(i=1,2,…,N)等信息。当B在本轮测量中接收到第一个帧时，会记录T、N的值以及此帧的序号i(i可能为1至N的任意整数)，同时启动一个延时时间为T(N+1-i)的定时器作为接收等待时间，超时后便认为本轮接收已完成，这样就保证了A和B能在同一时间结束本轮测量。

2.2 返程测量流程

为实现B到A的返程测量，A向B发送的数据帧中应带有应答请求的信息，利用B发送给A的应答帧的RSSI和LQI计算返程通信质量。具体实现如下：若B收到的数据帧中带有应答请求，则会立即向A发送应答帧，同时更新nTx(B)的值。A接收到应答帧后同样会记录RSSI和LQI，同时更新nRx(A)的值。当本轮测量结束时，A会根据应答帧的接收情况计算本轮测量B到A的平均RSSI、LQI和收帧率RB→A，最后蜂鸣器响以示本轮中B到A的返程测量结束。RB→A计算式为

(2)

2.3 总收帧率的计算

在一轮测量中，B只要至少接收到N个帧中的1个，便可正确计算收帧率(此时收帧率≥1/N)。但若本轮中的N个帧全部没有收到，则会影响收帧率的准确计算(此时收帧率<1/N)。为解决此问题，A和B同时还会记录各自在多轮测量中发送的总帧数cntTx(A)、cntTx(B)和接收的总帧数cntRx(A)、cntRx(B)，其值只有在手动按下清零键时才会清零，否则会一直将每轮的计数值累加。因此可根据需要手动计算A到B的总收帧率R总A→B以及B到A的总收帧率R总B→A，使测量结果更加准确。

(3)

(4)

3 硬件设计

为满足手持式仪器低功耗、体积小等特点，在软硬件功能上进行了精简，节点电路原理图如图2所示。每个节点从功能上可分为电源模块、MCU模块、无线收发模块、显示屏、按键、蜂鸣器和串口等部分。

图2 节点电路原理图

设计所选用的控制芯片和液晶显示模块都使用3.3 V直流电压进行供电，所以电源模块使用3节5号电池作为供电源，并采用低压差稳压芯片MCP1700-3.3进行稳压，为系统提供稳定的电源电压VCC(3.3 V)，MCP1700-3.3的最小压差为178 mV，静态电流仅1.6 μA，非常适用于电池供电的设备。

主控芯片采用CC2530单片机。CC2530是专为ZigBee协议设计的一款芯片，是ZigBee的片上系统解决方案[9]，其内部集成了增强型的高速51内核和256 KB的闪存[10]，且外设资源丰富。外接了2个晶振，其中32 MHz晶振可为无线收发提供准确的符号周期，32.768 kHz晶振作为休眠定时器的时钟，使休眠时的电流仅为1 μA。无线收发模块采用由电容和电感构成的巴伦电路，并外接50 Ω的鞭状天线，可进行无线数据的收发。

显示屏采用LCD5110型号的液晶模块。该模块为48×84的点矩阵，使用SPI协议操作，正常工作电流在0.2 mA以下，速率可达4 Mbps，具有功耗低、速率高、成本低、控制简单等优点，适用于电池供电的场合。

按键采用非自锁式独立按键。将CC2530的P06和P07设为输入模式，当无键按下时为高电平(悬空)状态，有键按下时相应I/O口便由高电平跳转到低电平。为实现软件去抖，程序每隔10 ms扫描一次按键，若同一按键在相邻两次扫描均为低电平，则判定为该键按下。当按下K清零时可使变量cntTx和cntRx清零，按下K测量可启动新一轮的测量。

蜂鸣器采用有源电磁式蜂鸣器，可在2～3.5 V之间正常工作。当P00为高电平时，三极管Q1导通，蜂鸣器发声；当P00为低电平时，蜂鸣器不发声。

此外，还将单片机的P02和P03口引出作为串口与PC机通信，可作为程序调试、参数配置、数据分析等功能使用。

4 软件设计

4.1 程序状态

程序设定每个节点有3种状态(State)：Idle(空闲)、Tx(发送)和Rx(接收)。节点在同一时刻只能处于一种状态。Idle为上电后的默认状态，Tx和Rx之间不能直接切换。状态间的切换如图3所示。

图3 节点状态的切换

当处于Idle状态且检测到K测量按下，节点会立刻切换到Tx状态，开始发送数据帧，此时只能接收应答帧，不能接收数据帧。当发送完N个数据帧后会自动切换到Idle状态。

当处于Idle状态且收到数据帧时，节点会立刻切换到Rx状态，此时只能接收数据帧，不能接收应答帧。当本轮测量结束时会自动切换到Idle状态。

4.2 程序流程图

程序主要由主程序和无线接收中断服务程序(以下简称中断)两部分组成，程序流程图分别如图4和图5所示。

图4 主程序流程图

图5 中断流程图

主程序：上电初始化后，便进行系统状态的判断：若为Idle状态，则进行按键扫描；若为Tx状态，则开始发送数据帧，发送完后进行计算并显示；若为Rx状态，便启动T(N+1-i)的延时器进行接收超时等待，之后便进行计算并显示。

中断：当收到无线数据帧时便立即进入中断。中断对收到的帧类型和系统状态进行判断：若收到数据帧且为Idle状态，说明这是本轮收到的第1个帧，将状态改为Rx，并记录帧序号i；若收到数据帧且为Rx状态，则查看是否有应答请求，若有则发送应答帧并更新nTx值；若收到应答帧且为Tx状态，说明收到了请求的应答帧，则记录RSSI和LQI，更新nRx值。

5 实验验证

实验采用A主动发送、B被动接收的形式，记录在不同条件下B的测量结果(A到B的通信质量)和A的测量结果(B到A的通信质量)，数据如表1所示。

表1 不同条件下仪器的测量值

由a、b和c组数据对比可见，随着距离和遮挡的增加，RSSI值逐渐减小，但LQI和R开始时并未有明显变化，待距离增大到一定程度后才开始变化，因此此时RSSI更具灵敏性。由a和d组数据对比可见，存在电磁干扰时对R的影响较大，但对RSSI和LQI影响较小，因此此时R更具灵敏性。仪器实物图如图6所示。

图6 仪器实物图

6 结束语

本文设计的手持式ZigBee点到点通信质量测量仪，以CC2530模块为控制核心，通过两点间数据收发的方式测量ZigBee点到点的通信质量。仪器可同时测量往返路径的通信质量，使测量效率提升1倍，且采用多参数对通信质量进行联合表征，避免了单一参数的局限性。仪器具有测量快速、准确，操作简单，成本低，体积小等特点，适合在ZigBee网络设计、安装、调试与优化等场合使用。也可扩展为多个节点同时测量，提升测量效率。