摘 要：綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注。它在國防軍事、環(huán)境科學(xué)以及智能家居等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，由于其通常運(yùn)行在人不能或不便接近的環(huán)境，能源無法替代，因此，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題。文中提出了以射頻芯片CC2430為核心，配合微處理器的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，論述了系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理，對系統(tǒng)硬件電路和軟件設(shè)計(jì)作了說明。 關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，ZigBee技術(shù)，CC2430 [b][align=center]The design of Zigbee wireless sensor network node based on RF CC2430 Liu Yaju, Cai Zhenjiang, Zhang Li, Li Dongming，zhaoqiuxia[/align][/b] Abstract: Wireless sensor network are integration of sensor techniques, nested computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques and so on, is an interesting field, and gains more and more attentions. The wide application prospects make it develop rapidly in some field such as military, environment science, smart home and so on. As it running at a remote area where people can‘t or can‘t conveniently reach and might being impossible in substitution of power resources, the wireless sensor network has a key problem on designing a rational network node. The design of ZigBee wireless solution is presented mainly adopting RF chip CC2430 with MCU. The system‘s structure and working principle, and hardware circuits and software designing are given too. keyword: Wireless sensor network , ZigBee technology , RF CC2430 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(jì)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€(gè)主設(shè)備可支持4萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)）等諸多優(yōu)點(diǎn)，在國防軍事、工業(yè)控制、消費(fèi)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(jì)，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(shí)也適用于ZigBee之外2. 4GHz頻率的其他設(shè)備。 二、硬件設(shè)計(jì) 　　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(dòng)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)。 [align=center] 圖1 CC2430芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)[/align] 　　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(dòng)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(gè)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(jì) 　　傳感器節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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。 [align=center] 圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成框圖[/align] 　　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(gè)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。 [align=center] 圖3 CC2430芯片外圍電路[/align] 　　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(gè)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(shí)鐘用于250kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個(gè)參考時(shí)鐘可以來自外部時(shí)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(shí)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(shí)鐘源的精度應(yīng)該在 以內(nèi)。 三、軟件設(shè)計(jì) 　　按照硬件電路設(shè)計(jì)，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(yùn)行任務(wù)程序，實(shí)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。 [align=center] 圖4 發(fā)送程序流程圖 圖5 接收程序流程圖[/align] 　　無線通信協(xié)議是軟件中的一個(gè)重要問題，因?yàn)樗越雨P(guān)系到節(jié)點(diǎn)的性能。因此，在鏈路層，設(shè)計(jì)了一個(gè)簡化的CSMA/CA協(xié)議，即任何節(jié)點(diǎn)在發(fā)送之前必須進(jìn)行一段隨機(jī)時(shí)間的偵聽，在確認(rèn)目前沒有別的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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(shí)，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(diǎn)以及偵聽時(shí)的功耗損失等問題，但在一定的節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)，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。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 陳帥，鐘先信，劉積學(xué)，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新進(jìn)展與應(yīng)用[J].壓電與聲光，2006，28（3）：297-299 　　[2] Jon Adams. Designing with 802.15.4 and ZigBee.www.zigbee.org,2004 　　[3] 原羿，蘇鴻根.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2004，21（6）：89-91 　　[4] SmartRF CC2430 Peliminary（rev.1.O1）.2005 　　[5] HILL J, HORTON M, KLING R, etal. The platforms enabling wireless sensor networks[J].Communications of the ACM, 2004,47（6）:41-46 　　[6] 李莉. 一種藍(lán)牙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006,22（7） ：59-62 　　[7] 侯惠峰,劉湘雯,于宏毅等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IPv6網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)方式研究[J].電信科學(xué)，2006（6） ：59-62