1  引言
 
基于zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)適用于網(wǎng)點(diǎn)多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場合，在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領(lǐng)域已取得一席之地[1]。同時(shí)，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善[2]。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進(jìn)對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求[3]。

2  設(shè)計(jì)要求

2.1 zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
 
從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，zigbee網(wǎng)絡(luò)有星形，樹形，網(wǎng)狀3種模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分可分為終端節(jié)點(diǎn)(ep)、路由器節(jié)點(diǎn)(rp)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(cp)3種[2]。其組織結(jié)構(gòu)如圖1示。

 

圖1 zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起并維護(hù)一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，識別網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)；路由器節(jié)點(diǎn)支撐網(wǎng)絡(luò)鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)；終端節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的感知者和執(zhí)行者，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作[2]。這就要求zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需扮演終端感知者、網(wǎng)絡(luò)支持者、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者3種角色。
 
從功能上，zigbee節(jié)點(diǎn)應(yīng)由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設(shè)功能模塊組成。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。



圖2  zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊圖

其中，包括dma、usart模塊、定時(shí)器模塊、a/d模塊在內(nèi)的豐富的外設(shè)功能來滿足網(wǎng)絡(luò)對硬件資源的需求，存儲器模塊完成協(xié)議棧的存儲與執(zhí)行，cpu實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算與處理，mac定時(shí)器用于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)同步，使用aes技術(shù)對信息進(jìn)行加密，無線模塊完成收據(jù)的收發(fā)與信息幀控制。

2.2 zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求
 
(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時(shí)要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個(gè)工作頻段之一，有16個(gè)速率為250kb/s的信道。
 
(2)體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術(shù)較其它無線技術(shù)的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有較高的性價(jià)比。
 
(3)可靠性。與有線傳輸介質(zhì)相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網(wǎng)絡(luò)是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡(luò)在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)應(yīng)選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴(kuò)頻技術(shù)。
 
(4)通用性。布建zigbee網(wǎng)絡(luò)的最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設(shè)備的操作要求。
 
(5)低功耗，支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機(jī)制使設(shè)備更加省電。典型的zigbee節(jié)點(diǎn)在使用普通電池供電的情況下工作12個(gè)月以上。
 
zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)按照上述的原則與規(guī)劃進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

3  硬件設(shè)計(jì)

3.1芯片選型
 
zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運(yùn)行[3]。在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設(shè)計(jì)方案，本設(shè)計(jì)選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。

設(shè)計(jì)選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee 802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案，也是目前眾多zigbee設(shè)備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下：

(1)片內(nèi)集成增強(qiáng)型高速8051內(nèi)核處理器，支持代碼預(yù)取；256kflash程序存儲器，支持最新zigbee2007pro協(xié)議；8k數(shù)據(jù)存儲器；支持硬件調(diào)試[3]。

(2)支持2v-3.6v供電區(qū)間，具有3種電源管理模式：喚醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中斷模式0.4ua。包括處理器和智能片內(nèi)外設(shè)在內(nèi)的模塊，具有超低功耗的特點(diǎn)[3]。

(3)片內(nèi)集成5通道dma；mac定時(shí)器；1個(gè)16位、兩個(gè)8位普通定時(shí)器；32khz睡眠定時(shí)器；電源管理與片內(nèi)溫度傳感器；8通道12位ad轉(zhuǎn)換器；看門狗等智能外設(shè)[3]。高密度集成化電路節(jié)約設(shè)計(jì)成本。

(4)應(yīng)用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、zigbee網(wǎng)絡(luò)、家居自動(dòng)化、照明系統(tǒng)、工業(yè)測控、低功耗wsn等領(lǐng)域[3]。

cc2530芯片結(jié)構(gòu)如圖3所示。



圖3 cc2530片內(nèi)功能模塊圖

3.2硬件整體設(shè)計(jì)
 
在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺中，cc2530需要實(shí)現(xiàn)的功能以及外圍模塊主要有3個(gè)部分：通過a/d口控制傳感器模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；控制無線rf模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過i/o口相應(yīng)主機(jī)控制。傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過i/o口與微處理器相連，通過rs232接口可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與pc機(jī)的通信[3]。外圍硬件電路原理圖如圖4所示。



圖4 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件參考電路圖

由于cc2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時(shí)鐘晶振采用32mhz無源晶振以及32.768khz時(shí)鐘晶振；無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，天線使用50歐鞭狀負(fù)極性天線，具體的元器件封裝信息參見附表所示。

附表  網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)封裝信息表



為了更好提高芯片內(nèi)部電壓精度，輸入電壓應(yīng)采用調(diào)制后的3.3v穩(wěn)壓電源，接內(nèi)部參考電壓的外圍電阻r301精度要在0.5%以上，且選用質(zhì)量較好的電感、電容等器件。為了指示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)，在硬件設(shè)計(jì)中加入兩個(gè)狀態(tài)指示燈，使用220歐的限流電阻，分別接在微處理器芯片的p10、p11口，用于指示設(shè)備入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)，方便開發(fā)人員觀察，指示燈為可選電路，可根據(jù)需求選擇使用。

3.3 pcb設(shè)計(jì)
 
cc2530的zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)pcb設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，它同時(shí)具備數(shù)字電路與高頻電路的特點(diǎn)。在元件布局盡量緊湊、美觀；在數(shù)字信號線走線上做到自然、平滑；高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨(dú)立、避免干擾，并符合天線特性；節(jié)點(diǎn)接口分布采用ti標(biāo)準(zhǔn)接口形式，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固可靠。由于cc2530集無線收發(fā)和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路[3]，因此pcb的設(shè)計(jì)要完全適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)pcb圖和實(shí)物如圖5所示。pcb板的尺寸為長寬高25mm×41mm×1.6mm，接口為11×2雙排插針，間距2.54mm。接口管腳定義為ti的標(biāo)準(zhǔn)接口。





                         圖5 通信模塊圖

3.4 硬件測試
 
經(jīng)實(shí)地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離120米；最大輸出功率10dbm；接收靈敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，發(fā)送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設(shè)備具有功能模塊專一、接口穩(wěn)固通用的特點(diǎn)，8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口和1個(gè)rs232接口。

4  結(jié)束語
 
本文介紹了zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求、性能特點(diǎn)與構(gòu)建框架和較為詳盡的設(shè)計(jì)過程；給出了外圍電路的設(shè)計(jì)以及實(shí)際設(shè)計(jì)出的實(shí)物和元器件參數(shù)；無線射頻部分的特點(diǎn)和pcb設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)。

作者簡介

李新(1985-)  男  在讀碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)與系統(tǒng)方向。

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