浅谈zigbee的无线传感器网络节点

　　一、引言

　　Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

　　与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，ZigBee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它必须具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。而移动通信网主要是为语音通信而建立，每个基站价值一般都在百万元人民币以上，而每个ZigBee“基站”却不到1000元人民币。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个Zigbee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

　　二、硬件设计

　　1、芯片无线收发模块内部结构

　　CC2430芯片的内部结构如图1所示。天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHz，此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩，终恢复出传输的正确数据。

　　图1 CC2430芯片内部结构

　　发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据TEEE 802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号终被调制到2.4GHz，并经过放大后经发射天线发射出去。

　　2、系统硬件设计

　　传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元以及电源管理单元等模块组成[5]。节点硬件结构由图2所示。微处理器ATmega128通过SPI总线和一些离散控制信号与RF收发芯片CC2430进行通信。

　　图2 传感器网络节点组成框图

　　CC2430外围电路如图3所示。CC2430内部使用1.8V工作电压，适合于电池供电的设备，外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样可以保持和 3.3V逻辑器件的兼容型。它在片上集成了一个自流稳压器，能够把3.3V电压转化成1.8V电压。这样对于只有3.3 V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。

　　图3 CC2430芯片外围电路

　　CC2430射频信号的收发采用差分方式进行传输，其差分负载是，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡阻抗转换电路（BALLUN，巴伦电路），以达到收发效果。

　　CC2430需要有16MHz的参考时钟用于250kbps数据的收发。这个参考时钟可以来自外部时钟源，也可以使用内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从XOSC16-Q1引脚引入，XOSC16-Q2保持悬空;如果使用内部晶体振荡器，晶体接在XOSC16-Q1和XOSC16_Q2引脚之间。CC2430要求时钟源的应该在以内。

　　三、软件设计

　　按照硬件电路设计，系统软件编程的基本思路[6]是：先对SPI端口、CC2430控制端口初始化;使能SPI端口、UART端口和ADC;对CC2430芯片初始化;开启接收机后，就可以运行任务程序，实现接收或发送数据。发送和接收程序流程图如图4和图5所示。

　　图4 发送程序流程图

　　图5 接收程序流程图

　　无线通信协议是软件中的一个重要问题，因为它自接关系到节点的性能。在网络层协议上，采用了简化的IPv6路由协议[7]，之所以采用IPv6，是考虑到IPv6的巨大的地址空间、邻居发现功能、安全性好等优良特性。

　　四、结束语

　　Smart RF CC2430是一款符合ZigBee技术的高集成度商业用射频收发器件，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于免授权的2. 4GHz频段。利用此芯片开发的无线传感器网络节点成本低、功耗小，适用于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为无线传感网络的广泛应用提供了理想的解决方案。