基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1 引言
    射頻收發(fā)器CC2420應(yīng)用Chipcon公司的Sman RF 03技術(shù)，采用0．18μm CMOS工藝，只需極少的外部元件，性能穩(wěn)定且功耗極低，同時(shí)集成所有ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，可快速應(yīng)用到建筑自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)、住宅安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程抄表以及PC外設(shè)等ZigBee產(chǎn)品中，也可以替代現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(例如RS一422、RS一485)和有線監(jiān)視方案。
    由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信上消耗較大能量，選用功耗較小的PICl8F4620單片機(jī)為處理器，以及選用CC2420為通信器件，設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此，這里提出一種基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。

2 CC2420簡介
    CC2420有33個(gè)16位配置寄存器、15個(gè)命令選通寄存器、1個(gè)128字節(jié)的RX RAM、1個(gè)128字節(jié)的TX RAM、1個(gè)112字節(jié)的安全信息存儲(chǔ)器。TX和RX RAM的存取可通過地址或者用2個(gè)8位的寄存器實(shí)現(xiàn)，而采用后者訪問內(nèi)存與訪問FIFO緩沖區(qū)一樣，不能讀取／寫入任何數(shù)據(jù)到安全信息RAM，也不能把TX RAM和RX RAM作為內(nèi)存訪問，只能以FIFOS的方式訪問，而對寄存器的操作則可通過SPI接口以從屬方式使用。
    CC2420內(nèi)置一個(gè)低中頻接收器，負(fù)責(zé)處理天線接收到的RF信號(hào)，經(jīng)低噪聲放大器(LNA)放大，并通過I／Q正交平衡電路降頻轉(zhuǎn)換為2 MHz的中頻信號(hào)。該信號(hào)再經(jīng)濾波、放大、A／D轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制、信道過濾、解擴(kuò)頻、符號(hào)相關(guān)和字節(jié)同步等恢復(fù)出正確的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入容量為128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。報(bào)頭和起始幀由硬件自動(dòng)生成。CC2420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見參考文獻(xiàn)。其性能特點(diǎn)如下：免執(zhí)照頻段：工作頻帶范圍為2．400~2．483 5GHz；數(shù)據(jù)傳輸速率低：2M／s直接擴(kuò)頻序列基帶調(diào)制解調(diào)和250 Kbits的有效數(shù)據(jù)速率；低電流消耗和高接收靈敏度：接收19．7 mA，發(fā)射17．4 mA，接收靈敏度為一94 dBm；高可靠性：采用了CSMA／CA技術(shù)避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突，MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；安全性高：基于CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES2128)的對稱密碼，保證數(shù)據(jù)安全傳輸；小尺寸封裝：OLP一48封裝，7 mm×7 mm；接口配置簡單：與微處理器的接口配置簡易(4總線SPI接口)。

3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制，把節(jié)點(diǎn)分成傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)3種類型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是通過傳感器采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、位移、光感度和濕度等)，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由處理器處理，最后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點(diǎn)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)或離匯聚節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是收集該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)所采集到的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)往匯聚節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，其主要功能就是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)(如Intelllet)，將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。雖然節(jié)點(diǎn)的功能有所不同，但硬件電路基本一致。
    設(shè)計(jì)選用PIC18系列的單片機(jī)+CC2420解決方案，因此要?jiǎng)?chuàng)建ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)必須具備以下組件：傳感器設(shè)備，帶SPI接口的PICl8F4620單片機(jī)，帶有所需外部元件的CC2420 RF收發(fā)器，天線(PCB引線天線或單極天線)，3．3 V穩(wěn)壓電源。整個(gè)硬件系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、射頻和供電4個(gè)模塊．如圖1所示。

3．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊是應(yīng)用傳感器件監(jiān)測外部環(huán)境，比如溫度、濕度、液位、位移、轉(zhuǎn)速等模擬參數(shù)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)進(jìn)行處理。
3．2 數(shù)據(jù)處理模塊
    處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心，其他模塊都要通過處理器控制，因此處理器性能的好壞決定整個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能。處理器采用PICl8F4620型單片機(jī)，它具有13路通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，2．0～5．5 V寬工作電壓，內(nèi)嵌用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的3 986字節(jié)SRAM和用于存儲(chǔ)程序代碼的64 K字節(jié)Flash，JTAG程序下載和在線調(diào)試接口，支持4線SPI和I2C主從模式等特點(diǎn)。
3．3 射頻模塊
    在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信。隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要是消耗在通信上。所以，選擇一款低能耗的通信器件將節(jié)省節(jié)點(diǎn)能量，延長壽命。
    在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，射頻收發(fā)器CC2420工作在從機(jī)模式，PICl8F4620工作在主機(jī)模式，通過SPI接口配置CC2420寄存器參數(shù)和讀寫緩沖器內(nèi)的數(shù)據(jù)，詳細(xì)的引腳連接如表1所示。

    CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶體振蕩器等非常少的外圍電路就能在2．4 GHz頻段工作。同時(shí)，CC2420提供一個(gè)4線SPI接口(SI、SO、SCLK、CSn)與微處理器連接，通過這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作，并實(shí)現(xiàn)讀，寫緩存數(shù)據(jù)、讀／寫狀態(tài)寄存器等。片選信號(hào)CSn低電平有效。該接口使用步驟為：①驅(qū)動(dòng)CSn為低電平，告知CC2420開始新的SPI通信周期。②CC2420選中后，開始驅(qū)動(dòng)SCLK時(shí)鐘信號(hào)。SCLK無需用固定頻率驅(qū)動(dòng)并有一個(gè)可變的服務(wù)周期。在SCLK信號(hào)上升沿，CC2420采樣SI、SO上的數(shù)據(jù)；在SCLK信號(hào)下降沿，如果SO為輸出模式。CC2420將改變SO上的數(shù)據(jù)。③當(dāng)這一周期完成時(shí)，停止SCLK的驅(qū)動(dòng)并將CS_信號(hào)變?yōu)楦唠娖健?br />3．4 供電模塊
    偏遠(yuǎn)地區(qū)的工業(yè)設(shè)施、軍事裝備的監(jiān)控系統(tǒng)具有無人值守、低數(shù)據(jù)量和點(diǎn)多面廣等特點(diǎn)，該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，采用電池供電，因此，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。CC2420采用低電壓供電(2．1～3．6V)，并具有休眠模式，且從休眠模式激活的時(shí)延短，因此，功耗大大減小。CC2420各狀態(tài)下的電流消耗典型值為：穩(wěn)壓器關(guān)閉為0．02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18．8 mA，發(fā)送模式(POUT=0 dBm)為17．4 mA。另外，PIC18F4620也是一款低電壓供電的器件(2．0～5．5V)，并具有運(yùn)行、空閑、休眠3種功耗管理模式，合理利用這些功耗管理模式可獲得理想的節(jié)能效果。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的3.3 V穩(wěn)壓電源是由兩節(jié)五號(hào)電池或9 V方型鎳氫電池穩(wěn)壓至3．3 V的電源來提供。圖2為CC2420射頻收發(fā)器的應(yīng)用電路。
    其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的本振信號(hào)既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外接晶體振蕩器和2只負(fù)載電容，其電容容量取決于晶體頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如采用16 MHz晶體振蕩器時(shí)，其電容值約為22 pF。射頻輸入／輸出匹配電路主要用于匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時(shí)為CC2420器件內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。如果兩節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn)，而且不易安裝中間節(jié)點(diǎn)中繼，可采用增加功放電路提高輸出功率的方法實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的傳輸。圖3為功放電路圖。74LVC2G04是雙非門緩存器用于控制UPG2214TK單刀雙擲開關(guān)，選通發(fā)送或接收電路，而UP2202是一款高增益2．4Hz功放器件，用于提高射頻電路的輸出功率。這種帶功放的節(jié)點(diǎn)一般應(yīng)用于簇頭節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)，以及溝壑地帶等不易連接且相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)然，這種節(jié)點(diǎn)消耗較大，大大降低電池壽命，因此在人煙稀少或不易到達(dá)的地點(diǎn)，需采用可充電的電池供電(輸出電流達(dá)到120 mA)，同時(shí)采用太陽能板為電池充電。

4 結(jié)語
    CC2420RF收發(fā)器適用于大量分布節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。電路設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的是線路抗干擾問題，電路板設(shè)計(jì)成4層板，未布線的區(qū)域用敷銅并接地，CC2420底部通過多個(gè)過孔與地層連接，濾波電容盡量靠近器件放置，數(shù)字地和模擬地采用0 Ω電阻或磁珠隔離。另外，節(jié)點(diǎn)安裝位應(yīng)盡量避開樹木，以減少對該電磁波的吸收，影響傳輸穩(wěn)定性。
    經(jīng)過測試，增加功放電路后射頻輸出功率可達(dá)18 dBm：在空曠地域，兩相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以在500 m范圍內(nèi)可靠傳輸數(shù)據(jù)。需要注意的是，普通節(jié)點(diǎn)一般不要外加功放，采用休眠機(jī)制，以延長電池使用壽命。