基于ZigBee的無線傳感器網絡節點的設計

崔文龍，鄒 虹

(重慶郵電大學通信與信息工程學院，重慶400065)

0 引言

由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統就是無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)［1］。其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被感知對象的信息，并發送給觀察者。ZigBee［2］作為一種基于IEEE802.15.4［3］標準的短距離、低速率、低功率和低成本的無線網絡通信技術，其開發是為了建立一種低成本、低功耗的小區域的無線通信方式，在此基礎上通過軟件協議棧發展出大容量、不依賴現有通信網絡和現有電力網絡的無線網絡。協議棧不需注冊，ZigBee技術使用免費的 IMS的 2.4GHz、915MHz和868MHz頻段［2］，傳輸速率為20k ～250kbps。與藍牙、紅外和WiFi等無線通信技術相比有著成本和開發簡單等優勢，所以ZigBee是無線傳感網主要的無線通信技術標準。

ZigBee具有低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本等特點，可廣泛應用在2.4GHz IEEE 802.15.4 系統，RF4CE 遙控制系統，ZigBee系統，家庭/建筑物自動化，照明系統，工業控制和監視，低功耗無線傳感器網絡，消費類電子和衛生保?。?］。

1 方案設計

1.1 方案選擇

目前ZigBee技術提供方式有三種［5］:

(1)ZigBee RF+MCU 例如:TI CC2420+MSP430、FREESCLAE MC13 XX+GT60、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU。

(2)單芯片集成SOC 如:TI CC2430/CC2431(8051內核)、FREESCALE MC1321X、EM250。

(3)單芯片內置ZigBee協議棧+外掛芯片JENNIC SOC+EEPROM、EMBE R 260+MCU。

不同處理器會導致節點的整體能耗和節點的工作壽命的不同。射頻單元決定無線通信頻段、節點間數據通信的收發速率以及節點的通信距離等。本設計選擇集微處理器模塊和無線收發模塊于一體的單芯片解決方案。選用TI公司針對 2.4GHz頻段推出的 CC2530F256 芯片，CC2530［6］是 TI公司推出的最新一代 ZigBee標準芯片，適用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和 RF4CE 應用。符合 IEEE802.15.4規范，結合了德州儀器的業界領先的黃金單元ZigBee協議棧(Z－StackTM)，提供了一個強大和完整的ZigBee解決方案。也是目前眾多ZigBee設備產品中表現最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下:

(1)片內集成了極好性能的一流RF收發器，工業標準增強性8051 MCU，支持代碼預取;256kB Flash ROM和8kBRAM，支持硬件調試。

(2)具有 2個 USART、1個 16位、2個 8位定時器;32kHz睡眠定時器;8通道輸入可配置12位AD轉換器;看門狗等智能外設。硬件支持CSMA－CA、強大的DMA功能(片內集成5通道DMA)，具備電源管理與溫度感測功能;高密度集成化電路節約設計成本［1］。

(3)寬電源電壓范圍(2V～3.6V);支持5種工作模式［1］，且轉換時間短:喚醒模式 0.2mA、睡眠模式 1μA、中斷模式0.4μA。在接收和發送模式下，電流損耗分別為24mA和29mA，可以較好地滿足超低功耗系統的要求。

(4)由于硬件設計簡單，功耗低，封裝小等特點，得到了越來越廣泛地應用。包括 2.4GHz IEEE802.15.4系統、RF4CE遠程控制系統、家居自動化、照明系統、工業測控、低功耗 WSN 等領域［2］。

1.2 硬件設計

分析節點需要實現的功能包括控制傳感器采集信息，控制微處理器進行信息存儲和處理以及通過無線收發模塊完成數據收發［7］。在實際應用中，由于需要節點長時間地工作，要求有效降低功耗，因此需要節點硬件系統結構設計簡單、精簡。包括以下幾部分:供電部分、CC2530片上系統、天線、32MHz系統時鐘和32.768kHz的實時時鐘、串行接口及JTAG調試接口。CC2530片上系統消耗大部分能量，其余電路與之相比可忽略。CC2530芯片正常工作時，在接收和發送模式下，電流損耗分別為24mA和29mA，所以系統整體比較省電，具有較低功耗［8］，可以滿足長時間工作的要求。

節點的硬件結構框圖見圖1。

圖1 節點的硬件結構框圖

1.2.1 電源電路

電源是所有電子系統的基礎，電源模塊的設計直接關系到節點的壽命。能量供應模塊［9］主要的功能是負責為傳感器節點提供運行所需的能量，一般情況下使用微型電池。

我們采用外接交流電對其供電。提供9V～15V(最好是9V)未穩壓的直流電源，經過變壓器變壓、穩壓后提供3V和5.5V兩種電壓。圖2為電源模塊。

圖2 電源模塊

1.2.2 JTAG 調試接口

圖3為JTAG調試接口的電路圖，DEBUG_DD是調試數據線，DEBUG_DC是調試時鐘信號線，信號線P1.6/MOSI，P1.7/MISO 連接 CC2530 芯片的串口，P0.0，P0.1 可以用作普通接口線，也可用作ADC的信號線，其中通過仿真器下載程序中需要用到的引腳是電源線、地線、復位線和DEBUG_DD及DEBUG_DC接口。

圖3 JTAG調試接口

1.2.3 串口通信模塊

串口通信模塊為了方便監測網絡中數據傳輸的正常，需要串口來連接計算機，讀取節點內部的數據。連接串口到CC2530，必須加max232進行電平轉換［10］。串口通信最高波特率高達230kbps。

圖4 串行接口電路

1.2.4 ZigBee 無線通信模塊

ZigBee網絡節點硬件設計的核心模塊是處理器模塊和無線收發模塊，處理器在無線收發模塊的協作下保證無線網絡的建立與維護，數據采集與處理，無線數據收發以及Zig-Bee2007/pro協議棧的正常運行。

數據先存放在數據儲存器當中，處理器通過寄存器、中斷、串口和SPI等方式控制串口及無線收發模塊。處理器單元決定了節點的數據處理能力，路由算法的運行速度以及無線傳感器網絡形式的復雜程度。

圖5 CC2530芯片及其外圍電路

2 電路設計中的注意事項

(1)CC2530芯片是比較敏感的芯片，在電路設計過程中要重視電源部分的設計，電源的濾波電路要設計好，是電路設計成功的關鍵。本設計中為了防止電源信號的不穩定，濾除電源噪聲，電源輸入端注意濾波電容的選擇。

(2)CC2530芯片復位引腳是低電平復位，CC2530有五個復位源。以下事件產生復位:強制RESET_N輸入引腳為低;上電復位條件;布朗輸出復位條件;看門狗定時器復位條件;時鐘丟失復位條件。

(3)32.768kHz的實時時鐘可以不使用，不影響網絡通信。

(4)天線設計部分，如果不適用PCB天線，則采用外接的50Ω單極天線，要注意微波傳送帶線，主要完成阻抗匹配［11］。在2.4GHz情況下，它是兩段 1/4波長的走線，微波傳送帶線總長不超過5.8cm。在天線部分區域盡量減少元器件放置，多設置接地，降低干擾。

(5)PCB電路設計中，要注意的是器件的封裝、布局的位置有可能對整個電路性能產生很大的影響［11］，尤其是無線通信部分的電容、電阻、電感都推薦使用0402封裝的器件，并根據原理圖盡量放置在距離CC2530芯片各個引腳比較近的位置上。

3 性能指標

表1 節點性能指標

4 結束語

本文結合系統的實際要求，設計出了無線傳感器節點的硬件設計方案。選用CC2530處理器作為系統的微處理器，介紹了ZigBee網絡節點芯片選型、結構框架、性能特點和較為詳盡的設計過程;給出了外圍電路的設計和各元器件參數及PCB設計中的注意事項。選用ZigBee協議作為無線傳感器網絡的傳輸協議，實現了一種低功耗的無線傳感器網絡節點硬件平臺，為系統的應用提供了必要的基礎。

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