低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

1  引言

　　射頻收發(fā)器CC2420應(yīng)用Chipeon公司的Smart RF 03技術(shù)，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(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-485）和有線監(jiān)視方案。

　　由于無(wú)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此。這里提出一種基于CC2420的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。

　　2  CC2420簡(jiǎn)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。"IX和RX RAM的存取可通過(guò)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(wèn)內(nèi)存與訪問(wèn)FIFO緩沖區(qū)一樣。不能讀取，寫(xiě)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(wèn)，只能以FIFOS的方式訪問(wèn)。而對(duì)寄存器的操作則可通過(guò)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(guò)VQ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(guò)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CSM肌A技術(shù)避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)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(duì)稱(chēng)密碼，保證數(shù)據(jù)安全傳輸；小尺寸封裝：QLP-48封裝。7 minX7 mm；接口配置簡(jiǎn)單：與微處理器的接口配置簡(jiǎn)易（4總線SPl接口）。

　　3  ZigBee無(wú)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(lèi)型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是通過(guò)傳感器采集周嗣環(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Intemet），將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶(hù)。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PICl8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(cè)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(guò)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(guò)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，Jrl'AG程序下載和在線調(diào)試接口。支持4線SPI和12c主從模式等特點(diǎn)。

　　3.3 射頻模塊

　　在無(wú)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(lái)越高，能耗越來(lái)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(zhǎng)壽命。在ZigBee無(wú)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 T作在主機(jī)模式，通過(guò)SPl接口配置CC2420寄存器參數(shù)和讀寫(xiě)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(guò)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(xiě)緩存數(shù)據(jù)、讀，寫(xiě)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：

　?、衮?qū)動(dòng)CSn為低電平。告知CC2420開(kāi)始新的SPI通信周期。

　?、赾c2420選中后。開(kāi)始驅(qū)動(dòng)SCU（時(shí)鐘信號(hào)。SCLK無(wú)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。CC24加采樣sl、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s0上的數(shù)據(jù)。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?/font>