1 引言
射頻收發(fā)器CC2420應用Chipeon公司的Smart RF 03技術，采用O.18 p,m CMOS工藝。只需極少的外部元件，性能穩(wěn)定且功耗極低，同時集成所有ZigBee技術優(yōu)點，可快速應用到建筑自動化網絡、住宅安防系統、工業(yè)控制網絡、遠程抄表以及PC外設等ZigBee產品中。也可以替代現有的控制網絡技術（例如RS一422、RS-485）和有線監(jiān)視方案。
由于無線傳感器網絡在通信上消耗較大能量，選用功耗較小的PICl8F4620單片機為處理器。以及選用CC2420為通信器件，設計無線網絡節(jié)點，因此。這里提出一種基于CC2420的ZigBee無線網絡節(jié)點的設計方案。
2 CC2420簡介
CC2420有33個16位配置寄存器。15個命令選通寄存器、1個128字節(jié)的RX RAM、1個128字節(jié)的Tx RAM、1個112字節(jié)的安全信息存儲器。"IX和RX RAM的存取可通過地址或者用2個8位的寄存器實現，而采用后者訪問內存與訪問FIFO緩沖區(qū)一樣。不能讀取，寫入任何數據到安全信息RAM，也不能把TX RAM和RX RAM作為內存訪問，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內置一個低中頻接收器，負責處理天線接收到的RF信號，經低噪聲放大器（LNA）放大，并通過VQ正交平衡電路降頻轉換為2 MHz的中頻信號。該信號再經濾波、放大、A／D轉換、自動增益控制、信道過濾、解擴頻、符號相關和字節(jié)同步等恢復出正確的數據。當發(fā)送數據時。應先把要發(fā)送的數據放入容量為128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。報頭和起始幀由硬件自動生成。CC2420的性能特點如下：
免執(zhí)照頻段：工作頻帶范圍為2.400～2.483 5GHz；
數據傳輸速率低：2M／s直接擴頻序列基帶調制解調和250 Kbits的有效數據速率：
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CSM肌A技術避免發(fā)送數據的競爭和沖突。
MAC層采用完全確認的數據傳輸模式。每個發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息；安全性高：基于CRC（循環(huán)冗余校驗）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證。采用高級加密標準（AES2128）的對稱密碼，保證數據安全傳輸；小尺寸封裝：QLP-48封裝。7 minX7 mm；接口配置簡單：與微處理器的接口配置簡易（4總線SPl接口）。
3 ZigBee無線網絡節(jié)點硬件設計
根據ZigBee傳感器網絡節(jié)點管理機制，把節(jié)點分成傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點3種類型。當節(jié)點作為傳感器節(jié)點時，主要是通過傳感器采集周嗣環(huán)境的數據（溫度、位移、光感度和濕度等），然后進行A／D轉換，由處理器處理。最后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點，同時該節(jié)點也要執(zhí)行數據轉發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點發(fā)送的數據發(fā)送到匯聚節(jié)點或離匯聚節(jié)點更近的節(jié)點；當節(jié)點作為簇頭節(jié)點時，主要是收集該簇內所有節(jié)點所采集到的信息，經數據融合后。發(fā)往匯聚節(jié)點；當節(jié)點作為匯聚節(jié)點時。其主要功能就是連接傳感器網絡與外部網絡（如Intemet），將傳感器節(jié)點采集到的數據通過互聯網或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。雖然節(jié)點的功能有所不同，但硬件電路基本一致。
設計選用PICl8系列的單片機CC2420解決方案。因此要創(chuàng)建ZigBee傳感器節(jié)點必須具備以下組件：傳感器設備，帶SPI接口的PICl8F4620單片機。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。整個硬件系統劃分為數據采集、數據處理、射頻和供電4個模塊，如圖1所示。
3.1 數據采集模塊
數據采集模塊是應用傳感器件監(jiān)測外部環(huán)境。比如溫度、濕度、液位、位移、轉速等模擬參數，然后通過A／D轉換送給單片機進行處理。
3.2 數據處理模塊
處理器是整個節(jié)點的中心。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節(jié)點的性能。處理器采用PICl8F4620型單片機。它具有13路通道的10位模數轉換模塊，2.0～5.5 V寬工作電壓。內嵌用于存儲數據的3 986字節(jié)SRAM和用于存儲程序代碼的64 K字節(jié)Flash，Jrl'AG程序下載和在線調試接口。支持4線SPI和12c主從模式等特點。
3.3 射頻模塊
在無線傳感器網絡中。最關鍵的技術是實現節(jié)點間的通信。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)點能量，延長壽命。在ZigBee無線傳感器網絡應用中，射頻收發(fā)器CC2420工作在從機模式。PICl8F4620 T作在主機模式，通過SPl接口配置CC2420寄存器參數和讀寫緩沖器內的數據，詳細的引腳連接如表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。CC2420提供一個4線SPI接口（SI、SO、SCLK、CSn）與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發(fā)數據工作。并實現讀，寫緩存數據、讀，寫狀態(tài)寄存器等。片選信號CSn低電平有效。該接口使用步驟為：
①驅動CSn為低電平。告知CC2420開始新的SPI通信周期。
?、赾c2420選中后。開始驅動SCU（時鐘信號。SCLK無需用固定頻率驅動并有一個可變的服務周期。在SCLK信號上升沿。CC24加采樣sl、SO上的數據；在SCLK信號下降沿。如果SO為輸出模式，CC2420將改變s0上的數據。當這一周期完成時，停止SCLK的驅動并將Cs-信號變?yōu)楦唠娖健?/font>
3.4 供電模塊
偏遠地區(qū)的工業(yè)設施、軍事裝備的監(jiān)控系統具有無人值守、低數據量和點多面廣等特點。該監(jiān)控系統應用ZigBee無線傳感器網絡傳輸數據。采用電池供電，因此，網絡節(jié)點的功耗為系統設計的關鍵。CC2420采用低電壓供電（2.1～3.6 V），并具有休眠模式，且從休眠模式激活的時延短，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)壓器關閉為0.02 μA。低電位模式為20μA，空閑模式為426μA.接收模式為18.8 μA，發(fā)送模式（如Ⅳ=0 dBm）為17.4 μA。另外，PICl8F4620也是一款低電壓供電的器件（2.0～5.5 V）。并具有運行、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。該系統設計的3.3 V穩(wěn)壓電源是由兩節(jié)五號電池或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)器的應用電路。
其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外接晶體振蕩器和2只負載電容。其電容容量取決于晶體頻率及輸入容抗等參數。例如采用16 MHz晶體振蕩器時。
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 n，同時為CC2420器件內部的PA及LNA提供直流偏置。如果兩節(jié)點相距較遠。而且不易安裝中間節(jié)點中繼，可采用增加功放電路提高輸出功率的方法實現較遠距離的傳輸。圖3為功放電路圖。74LVC2G04是雙非門緩存器用于控制UPG221411單刀雙擲開關。選通發(fā)送或接收電路，而UP2202是一款高增益2.4 Hz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)點一般應用于簇頭節(jié)點或匯聚節(jié)點，以及溝壑地帶等不易連接且相距較遠的節(jié)點問數據傳輸。當然。這種節(jié)點消耗較大。大大降低電池壽命，因此在人煙稀少或不易到達的地點。需采用可充電的電池供電（輸出電流達到120 mA），同時采用太陽能板為電池充電。
4 結語
CC2420RF收發(fā)器適用于大量分布節(jié)點的傳感器網絡。電路設計中重點考慮的是線路抗干擾問題，電路板設計成4層板。未布線的區(qū)域用敷銅并接地，CC2420底部通過多個過孑L與地層連接。濾波電容盡量靠近器件放置，數字地和模擬地采用0 n電阻或磁珠隔離。另外，節(jié)點安裝位應盡量避開樹木。以減少對該電磁波的吸收，影響傳輸穩(wěn)定性嘲。
經過測試。增加功放電路后射頻輸出功率可達18 dBm；在空曠地域，兩相鄰網絡節(jié)點可以在500 m范圍內可靠傳輸數據。需要注意的是，普通節(jié)點～般不要外加功放，采用休眠機制，以延長電池使用壽命。
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