基于射頻芯片CC2430的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

一、引言

　　ZigBee[2]是一種基于IEEE802.15.4規(guī)范的無線技術(shù)。它具有在802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應(yīng)用層接口、工作于免授權(quán)的2.4GHz頻段、以年計算的超低電池壽命、極大可伸縮的網(wǎng)絡(luò)和星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌總€主設(shè)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(shè)備等領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間[3]。

　　RF CC2430芯片[4]以強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌人式機(jī)構(gòu)很高的認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon公司全球先進(jìn)的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時也適用于ZigBee之外2. 4GHz頻率的其他設(shè)備。

二、硬件設(shè)計

　　1、芯片無線收發(fā)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　CC2430芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。天線接收的射頻信號經(jīng)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(jīng)過濾波、放大、AD變換、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。

圖1 CC2430芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻。要發(fā)送的數(shù)據(jù)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(chǎn)生的。根據(jù)TEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴(kuò)頻序列擴(kuò)頻后送到DA變換器。然后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制到2.4GHz，并經(jīng)過放大后經(jīng)發(fā)射天線發(fā)射出去。

　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　傳感器節(jié)點一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元和數(shù)據(jù)傳輸單元以及電源管理單元等模塊組成[5]。節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)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(jìn)行通信。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成框圖

　　CC2430外圍電路如圖3所示。CC2430內(nèi)部使用1.8V工作電壓，適合于電池供電的設(shè)備，外部數(shù)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(zhuǎn)化成1.8V電壓。這樣對于只有3.3 V電源的設(shè)備，不需要額外的電壓轉(zhuǎn)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(jìn)行傳輸，其最佳差分負(fù)載是 ，阻抗匹配電路應(yīng)該根據(jù)這個數(shù)值進(jìn)行調(diào)整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路（BALLUN，巴倫電路），以達(dá)到最佳收發(fā)效果。

　　CC2430需要有16MHz的參考時鐘用于250kbps數(shù)據(jù)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(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)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(nèi)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(yīng)該在 以內(nèi)。

三、軟件設(shè)計

　　按照硬件電路設(shè)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(jī)后，就可以運行任務(wù)程序，實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。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(guān)系到節(jié)點的性能。因此，在鏈路層，設(shè)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(jìn)行一段隨機(jī)時間的偵聽，在確認(rèn)目前沒有別的節(jié)點在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時才進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)雙方通過三次握手來交換數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)空閑時，關(guān)閉偵聽功能，以盡可能降低功耗。當(dāng)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(shù)量范圍內(nèi)還是很有效的。在網(wǎng)絡(luò)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(jié)束語

　　Smart RF CC2430是一款符合ZigBee技術(shù)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(quán)的2. 4GHz頻段。利用此芯片開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)靈活、抗毀性強(qiáng)等特點，為無線傳感網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用提供了理想的解決方案。