1  引言
 
基于zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡適用于網(wǎng)點多,、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，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)范的演進對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求[3],。

2  設計要求

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

 

圖1 zigbee網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡,，識別網(wǎng)絡中的設備加入網(wǎng)絡,；路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡鏈路結(jié)構(gòu)，完成數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā),；終端節(jié)點是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者,，負責數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡動作[2]。這就要求zigbee網(wǎng)絡節(jié)點需扮演終端感知者,、網(wǎng)絡支持者,、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者3種角色。
 
從功能上,，zigbee節(jié)點應由微控制器模塊,、存儲器、無線收發(fā)模塊,、電源模塊和其它外設功能模塊組成,。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。



圖2  zigbee網(wǎng)絡節(jié)點模塊圖

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

2.2 zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計要求
 
(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頻段的兩個工作頻段之一,，有16個速率為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)絡節(jié)點,，因此成本問題凸顯出來,，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡節(jié)點有較高的性價比。
 
(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)絡在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸,，網(wǎng)絡節(jié)點應選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突,，使用合理的擴頻技術(shù),。
 
(4)通用性。布建zigbee網(wǎng)絡的最終目的是通過網(wǎng)絡完成各類操作,，主要是i/o操作和a/d操作,，這就要求網(wǎng)絡節(jié)點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設備的操作要求,。
 
(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制使設備更加省電,。典型的zigbee節(jié)點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。
 
zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的設計應按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設計和軟件設計,。

3  硬件設計

3.1芯片選型
 
zigbee網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計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)絡的建立與維護，數(shù)據(jù)采集與處理,，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運行[3],。在網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設計方案,，本設計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。

設計選用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)集成增強型高速8051內(nèi)核處理器,，支持代碼預取,；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)外設在內(nèi)的模塊,，具有超低功耗的特點[3],。

(3)片內(nèi)集成5通道dma；mac定時器,；1個16位,、兩個8位普通定時器；32khz睡眠定時器,；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[3],。高密度集成化電路節(jié)約設計成本,。

(4)應用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠程控制系統(tǒng),、zigbee網(wǎng)絡,、家居自動化、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硬件整體設計
 
在網(wǎng)絡節(jié)點硬件平臺中,，cc2530需要實現(xiàn)的功能以及外圍模塊主要有3個部分：通過a/d口控制傳感器模塊進行數(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口相應主機控制,。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接口可實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點與pc機的通信[3]。外圍硬件電路原理圖如圖4所示,。



圖4 網(wǎng)絡節(jié)點硬件參考電路圖

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,，主時鐘晶振采用32mhz無源晶振以及32.768khz時鐘晶振；無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡,，天線使用50歐鞭狀負極性天線,，具體的元器件封裝信息參見附表所示。

附表  網(wǎng)絡節(jié)點封裝信息表



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)絡節(jié)點的運行狀態(tài)，在硬件設計中加入兩個狀態(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設計
 
cc2530的zigbee網(wǎng)絡節(jié)點pcb設計是硬件設計的關(guān)鍵,，它同時具備數(shù)字電路與高頻電路的特點。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,、電容布局盡量獨立、避免干擾,，并符合天線特性,；節(jié)點接口分布采用ti標準接口形式，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的設計要完全適合無線傳感器網(wǎng)絡應用。本設計中zigbee網(wǎng)絡節(jié)點pcb圖和實物如圖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的標準接口,。





                         圖5 通信模塊圖

3.4 硬件測試
 
經(jīng)實地測量，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。該設備具有功能模塊專一,、接口穩(wěn)固通用的特點,，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rs232接口,。

4  結(jié)束語
 
本文介紹了zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計要求、性能特點與構(gòu)建框架和較為詳盡的設計過程,；給出了外圍電路的設計以及實際設計出的實物和元器件參數(shù),；無線射頻部分的特點和pcb設計中的注意事項。

作者簡介

李新(1985-)  男  在讀碩士研究生,，研究方向為先進控制技術(shù)與系統(tǒng)方向,。

參考文獻
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