基于射頻芯片CC2430的ZigBee無線傳感器網絡節(jié)點的設計

一、引言

　　ZigBee[2]是一種基于IEEE802.15.4規(guī)范的無線技術。它具有在802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應用層接口、工作于免授權的2.4GHz頻段、以年計算的超低電池壽命、極大可伸縮的網絡和星型網絡拓撲（每個主設備可支持4萬多個節(jié)點）等諸多優(yōu)點，在國防軍事、工業(yè)控制、消費性電子設備等領域有很大的發(fā)展空間[3]。

　　RF CC2430芯片[4]以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內部線路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌人式機構很高的認可。它結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。其產品廣泛應用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網絡等領域，同時也適用于ZigBee之外2. 4GHz頻率的其他設備。

二、硬件設計

　　1、芯片無線收發(fā)模塊內部結構

　　CC2430芯片的內部結構如圖1所示。天線接收的射頻信號經過低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號只有2MHz，此混合I/Q信號經過濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。

圖1 CC2430芯片內部結構

　　發(fā)射機部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數據先被送入128字節(jié)的發(fā)送緩存器中，頭幀和起始幀是通過硬件自動產生的。根據TEEE 802.15.4標準，所要發(fā)送的數據流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到DA變換器。然后，經過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調制到2.4GHz，并經過放大后經發(fā)射天線發(fā)射出去。

　　2、系統(tǒng)硬件設計

　　傳感器節(jié)點一般由數據采集單元、數據處理單元和數據傳輸單元以及電源管理單元等模塊組成[5]。節(jié)點硬件結構由圖2所示。微處理器ATmega128通過SPI總線和一些離散控制信號與RF收發(fā)芯片CC2430進行通信。

圖2 傳感器網絡節(jié)點組成框圖

　　CC2430外圍電路如圖3所示。CC2430內部使用1.8V工作電壓，適合于電池供電的設備，外部數字I/O接口使用3.3V電壓，這樣可以保持和3.3V邏輯器件的兼容型。它在片上集成了一個自流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉化成1.8V電壓。這樣對于只有3.3 V電源的設備，不需要額外的電壓轉換電路就能正常工作。

圖3 CC2430芯片外圍電路

　　CC2430射頻信號的收發(fā)采用差分方式進行傳輸，其最佳差分負載是 ，阻抗匹配電路應該根據這個數值進行調整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡阻抗轉換電路（BALLUN，巴倫電路），以達到最佳收發(fā)效果。

　　CC2430需要有16MHz的參考時鐘用于250kbps數據的收發(fā)。這個參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以使用內部晶體振蕩器產生。如果使用外部時鐘，直接從XOSC16-Q1引腳引入，XOSC16-Q2保持懸空;如果使用內部晶體振蕩器，晶體接在XOSC16-Q1和XOSC16_Q2引腳之間。CC2430要求時鐘源的精度應該在 以內。

三、軟件設計

　　按照硬件電路設計，系統(tǒng)軟件編程的基本思路[6]是：先對SPI端口、CC2430控制端口初始化;使能SPI端口、UART端口和ADC;對CC2430芯片初始化;開啟接收機后，就可以運行任務程序，實現(xiàn)接收或發(fā)送數據。發(fā)送和接收程序流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 發(fā)送程序流程圖

圖5 接收程序流程圖

　　無線通信協(xié)議是軟件中的一個重要問題，因為它自接關系到節(jié)點的性能。因此，在鏈路層，設計了一個簡化的CSMA/CA協(xié)議，即任何節(jié)點在發(fā)送之前必須進行一段隨機時間的偵聽，在確認目前沒有別的節(jié)點在進行數據傳輸時才進行數據發(fā)送，收發(fā)雙方通過三次握手來交換數據。在系統(tǒng)空閑時，關閉偵聽功能，以盡可能降低功耗。當然，這種協(xié)議存在著隱含節(jié)點以及偵聽時的功耗損失等問題，但在一定的節(jié)點數量范圍內還是很有效的。在網絡層協(xié)議上，采用了簡化的IPv6路由協(xié)議[7]，之所以采用IPv6，是考慮到IPv6的巨大的地址空間、鄰居發(fā)現(xiàn)功能、安全性好等優(yōu)良特性。

四、結束語

　　Smart RF CC2430是一款符合ZigBee技術的高集成度商業(yè)用射頻收發(fā)器件，其MAC層和PHY層協(xié)議符合802.15.4規(guī)范，工作于免授權的2. 4GHz頻段。利用此芯片開發(fā)的無線傳感器網絡節(jié)點成本低、功耗小，適用于電池長期供電。具有硬件加密、安全可靠、組網靈活、抗毀性強等特點，為無線傳感網絡的廣泛應用提供了理想的解決方案。