1 引言
射頻收發(fā)器CC2420應(yīng)用Chipcon公司的Sman RF 03技術(shù),采用0.18μm 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一485)和有線監(jiān)視方案。
由于無線傳感器網(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)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),因此,這里提出一種基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案。
2 CC2420簡介
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。TX和RX RAM的存取可通過地址或者用2個(gè)8位的寄存器實(shí)現(xiàn),而采用后者訪問內(nèi)存與訪問FIFO緩沖區(qū)一樣,不能讀?。瘜懭肴魏螖?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,只能以FIFOS的方式訪問,而對(duì)寄存器的操作則可通過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I/Q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的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參見參考文獻(xiàn)。其性能特點(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CSMA/CA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)稱密碼,保證數(shù)據(jù)安全傳輸;小尺寸封裝:OLP一48封裝,7 mm×7 mm;接口配置簡單:與微處理器的接口配置簡易(4總線SPI接口)。
3 ZigBee無線網(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種類型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí),主要是通過傳感器采集周圍環(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Intelllet),將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。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PIC18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,JTAG程序下載和在線調(diào)試接口,支持4線SPI和I2C主從模式等特點(diǎn)。
3.3 射頻模塊
在無線傳感器網(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,芯片的集成度越來越高,能耗越來越少,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,延長壽命。在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中,射頻收發(fā)器CC2420工作在從機(jī)模式,PICl8F4620工作在主機(jī)模式,通過SPI接口配置CC2420寄存器參數(shù)和讀寫緩沖器內(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,寫緩存數(shù)據(jù)、讀/寫狀態(tài)寄存器等。片選信號(hào)CSn低電平有效。該接口使用步驟為:①驅(qū)動(dòng)CSn為低電平,告知CC2420開始新的SPI通信周期。 ②CC2420選中后,開始驅(qū)動(dòng)SCLK時(shí)鐘信號(hào)。SCLK無需用固定頻率驅(qū)動(dòng)并有一個(gè)可變的服務(wù)周期。在SCLK信號(hào)上升沿,CC2420采樣SI、 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SO上的數(shù)據(jù)。③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?br />
3.4 供電模塊
偏遠(yuǎn)地區(qū)的工業(yè)設(shè)施、軍事裝備的監(jiān)控系統(tǒng)具有無人值守、低數(shù)據(jù)量和點(diǎn)多面廣等特點(diǎn),該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),采用電池供電,因此,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的功耗為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。CC2420采用低電壓供電 (2.1~3.6V),并具有休眠模式,且從休眠模式激活的時(shí)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(guān)閉為 0.02μA,低電位模式為20μA,空閑模式為426μA,接收模式為18.8 mA,發(fā)送模式(POUT=0 dBm)為17.4 mA。另外,PIC18F4620也是一款低電壓供電的器件(2.0~5.5V),并具有運(yùn)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(tǒng)設(shè)計(jì)的3.3 V穩(wěn)壓電源是由兩節(jié)五號(hào)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(yīng)用電路。
其外圍電路包括晶振時(shí)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(hào)既可由外部有源晶體提供,也可由內(nèi)部電路提供。由內(nèi)部電路提供時(shí)需外接晶體振蕩器和2只負(fù)載電容,其電容容量取決于晶體頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如采用16 MHz晶體振蕩器時(shí),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 Ω,同時(shí)為CC2420器件內(nèi)部的PA及LNA提供直流偏置。如果兩節(jié)點(diǎn)相距較遠(yuǎn),而且不易安裝中間節(jié)點(diǎn)中繼,可采用增加功放電路提高輸出功率的方法實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)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UPG2214TK單刀雙擲開關(guān),選通發(fā)送或接收電路,而UP2202是一款高增益2.4Hz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(diǎn)一般應(yīng)用于簇頭節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn),以及溝壑地帶等不易連接且相距較遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)然,這種節(jié)點(diǎn)消耗較大,大大降低電池壽命,因此在人煙稀少或不易到達(dá)的地點(diǎn),需采用可充電的電池供電(輸出電流達(dá)到120 mA),同時(shí)采用太陽能板為電池充電。
4 結(jié)語
CC2420RF收發(fā)器適用于大量分布節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。電路設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的是線路抗干擾問題,電路板設(shè)計(jì)成4層板,未布線的區(qū)域用敷銅并接地,CC2420底部通過多個(gè)過孔與地層連接,濾波電容盡量靠近器件放置,數(shù)字地和模擬地采用0 Ω電阻或磁珠隔離。另外,節(jié)點(diǎn)安裝位應(yīng)盡量避開樹木,以減少對(duì)該電磁波的吸收,影響傳輸穩(wěn)定性。
經(jīng)過測(cè)試,增加功放電路后射頻輸出功率可達(dá)18 dBm:在空曠地域,兩相鄰網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以在500 m范圍內(nèi)可靠傳輸數(shù)據(jù)。需要注意的是,普通節(jié)點(diǎn)一般不要外加功放,采用休眠機(jī)制,以延長電池使用壽命。