基于CC2430的ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點設計

摘要：ZigBee無線網(wǎng)絡結構簡單、設計成本低廉，功耗低，并擁有簡單而靈活的通信網(wǎng)絡協(xié)議，應用非常廣泛。采用集射頻與微控制器于一體的片上系統(tǒng)CC2430作為ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點的核心器件，提出帶功率放大器的ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點的系統(tǒng)設計方案，并給出該系統(tǒng)電路原理圖。硬件測試結果表明，節(jié)點硬件接收靈敏度高，通信距離也較理想。
關鍵詞：CC2430；ZigBee；無線網(wǎng)絡；節(jié)點；功率放大器

    目前GSM和3G等無線移動通信技術以及藍牙、WiFi、Ad-hoc等無線局域網(wǎng)技術應用日益廣泛，但其設備系統(tǒng)復雜，功耗較大、成本很高，不適合應用在一些低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的場合，如傳感器網(wǎng)絡、家庭自動化以及玩具等領域。ZigBee網(wǎng)絡在通信過程中只需一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，用以建立網(wǎng)絡并管理和協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，而無需成本高昂、體積龐大的基站。該網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者既是網(wǎng)絡中的主節(jié)點，又可作為網(wǎng)絡與其他有線或無線網(wǎng)絡互連的網(wǎng)關節(jié)點。ZigBee是一種低復雜度、低功耗和低成本的低速率無線連接技術，基于ZigBee技術的無線系統(tǒng)的開發(fā)應用已成為研究熱點。

1 ZigBee技術
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率無線組網(wǎng)通信技術。它是一種介于無線標記技術與藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。它有自己的無線標準，通過數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)來實現(xiàn)通信。這些傳感器只需很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳送到另一個傳感器，所以通信效率非常高。ZigBee是一個由多達65 000個無線數(shù)傳模塊組成的無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺，類似移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)。其中每一個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡的一個基站，在整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)，它們之間可以進行相互通信；整個ZigBee網(wǎng)絡還可以與現(xiàn)有的其他各種網(wǎng)絡連接。

2 ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計
2．1 硬件系統(tǒng)總體設計
    圖l為ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點的硬件系統(tǒng)總體框圖，該系統(tǒng)由CC2430器件模塊和無線收發(fā)模塊組成。CC2430射頻器件模塊由CC2430器件和相關外圍電路構成。雖然CC2430內(nèi)部集成有無線收發(fā)器和805l內(nèi)核，可以簡化電路設計，在單片機和無線收發(fā)器之間不加接口電路也能通信，但通信距離有限。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，兩個網(wǎng)絡節(jié)點在空曠地面的通信距離是lO～100 m，這個距離有時不能滿足應用需要。在CC2430器件與天線之間加一級接口電路即無線收發(fā)模塊，用來放大接收和發(fā)送信息的功率，從而加大數(shù)據(jù)傳送距離。

2．2 CC2430器件模塊
    CC22430器件模塊的電路原理如圖2所示。該模塊主要包括3．3 V和1．8 V電源濾波電路、芯片晶振電路、巴倫電路和復位電路。芯片本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內(nèi)部電路提供，這里由內(nèi)部電路提供，需外加晶體振蕩器和2個負載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。R2和R3為偏置電阻，電阻R3主要用來為32 MHz的晶振提供合適的工作電流。用1個32 MHz的石英諧振器(X1)和2只電容(C9和C10)構成1個32 MHz的晶振電路。用1個32．768 kHz的石英諧振器(X2)和2個電容(C7和C8)構成1個32．768 kHz的晶振電路。CC2430射頻信號的收發(fā)采用差分方式傳送，其最佳差分負載是115+j180 Ω，阻抗匹配電路應根據(jù)該數(shù)值進行調(diào)整。設計采用50Ω單極子天線，由于CC2430的差分射頻端口具有兩個端口，而天線是單端口，因此需采用巴倫電路(平衡／非平衡轉(zhuǎn)換電路)完成雙端口到單端口的轉(zhuǎn)換。巴倫電路由電感(L1、L2，L3)和電容(C15、C17、C26)構成。

   CC2430內(nèi)部使用1．8 V工作電壓，適合于電池供電的設備，外部數(shù)字I／O接口使用3．3 V電壓，以保持和3．3 V邏輯器件兼容。CC2430片上集成有自流穩(wěn)壓器，能將3．3 V電壓轉(zhuǎn)換為1．8 V電壓，這樣只有3．3 V電源的設備無需外加電壓轉(zhuǎn)換電路就能正常工作。C1、C11、C15等為去耦電容，主要用于電源濾波，以提高器件的工作穩(wěn)定性。

2．3 無線收發(fā)模塊
    CC2430發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號從差分射頻端口RF_P、RF_N經(jīng)巴倫電路變?yōu)閱味诵盘?，由RXTX_SWITCH信號控制2個邏輯開關，選通功率放大電路(PA)，放大后的信號從天線發(fā)射出去。接收信號時，在RXTX_SWITCH信號控制下，從天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大電路(LNA)放大，巴倫電路轉(zhuǎn)換，由RF_P、RF_N端口接收。圖3為無線收發(fā)模塊與CC2430的連接框圖。

    無線收發(fā)模塊的電路原理如圖4所示。該電路主要由2個邏輯開關電路、功率放大電路(PA)、低噪聲功率放大電路(LNA)、阻抗匹配電路、電源濾波電路及偏置電路組成。功率放大電路采用Bubec公司的功放UP2202V，該器件由3．3 V電源供電，與CC2430供電電源相同，無需另外設計電源電路，l dB壓縮點輸出功率為23 dBm，線性增益為26 dB，內(nèi)部輸入已匹配到50Ω。

    低噪聲功率放大電路采用Bubec公司的UA2723，該器件采用3．3 v電源供電，內(nèi)部輸入輸出均已匹配到50 Ω，設計時無需阻抗匹配，頻率范圍是0．05～4 GHz，在2．2 GHz時功率增益是20 dB，在2．5 GHz時1 dB壓縮點輸出功率大于-1．5 dBm。
    為了保證低噪聲功率放大器的靈敏度，3.3 V電源經(jīng)Richtek公司的超低噪聲，低靜態(tài)電流電源調(diào)整器RT919333PB調(diào)整后再送給UA2723，如圖5所示。

3 ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點的軟件設計
3．1 ZigBee協(xié)議棧
    ZigBee協(xié)議由一組子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務；數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務；管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點(SAP)為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供一系列基本服務指令來完成相應的功能。
    ZigBee協(xié)議棧的體系結構包括：ZigBee應用層、ZigBee網(wǎng)絡層、IEEE．802．15．4 MAC層和IEEE802．15．4 PHY層。IEEE．802．15．4 2003標準定義最下面的2層：物理層(PHY)和介質(zhì)接入控制層(MAC)。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡層和應用層(APL)框架的設計。其中應用層框架主要包括3部分：應用支持子層(APS)、ZigBee設備對象(ZDO)和由制造商制定的應用對象。
3．2 ZigBee信道分配
    ZigBee的通信頻率在物理層規(guī)范，在不同的國家或區(qū)域ZigBee提供了不同的工作頻率范圍，其所使用的頻率范圍為2．4 GHz和816／915 MHz。因此，在ZigBee中定義2．4 GHz和816／915 MHz 2個物理層標準，它們都基于直接序列擴頻(DSSS)技術。
    這里采用全球統(tǒng)一的2．4 GHz波段，無須申請ISM頻段，適合ZigBee設備推廣及降低生產(chǎn)成本。2．4 GHz物理層采用16相調(diào)制技術，能夠提供250 kb／s的傳輸速率，提高數(shù)據(jù)吞吐量，縮短通信時延和數(shù)據(jù)收發(fā)時間，降低功耗。
3．3 網(wǎng)絡的建立與加入
    ZigBee設備通過NLME-NETWORK-FORMATION．request原語來啟動一個新網(wǎng)絡的建立過程。僅當具有ZigBee協(xié)調(diào)器能力且當前無與網(wǎng)絡連接的設備，才可嘗試建立一個新網(wǎng)絡。如果此過程由其他設備開始，則網(wǎng)絡層管理實體將終止該過程，并向其上層發(fā)出非法請求報告。
    該步驟通過發(fā)出狀態(tài)參數(shù)為INVAUD_REQUEST的NLME-NETWORK-FORMATION．confirm原語來完成。只有當設備為ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器時，才能試圖允許設備與網(wǎng)絡的連接?？赏ㄟ^NLME-PERMIT-JOINING．request原語允許連接。
3．4 數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收
    發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先按照協(xié)議中規(guī)定的幀形式構建幀數(shù)據(jù)。幀數(shù)據(jù)包括幀頭和幀內(nèi)容。其中幀頭包括幀類型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID等信息。幀構建好后調(diào)用MAC層的原語MCPS-DATA．request，并將接收到的結果通過MCPS-DATA．confirm返回。在Z-Stack中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都必須通過應用層調(diào)用。應用層提供的Flash發(fā)送函數(shù)，其程序如下：

    為了接收數(shù)據(jù)，設備必須打開其接收機。上層使用NLME-SYNC．request原語初始化設備，打開其接收機，該原語將引起網(wǎng)絡層使用MLME-POLL．request原語對其父設備進行輪詢。ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器的網(wǎng)絡層必須在最大程度上保證任何時間接收機總是處于接收狀態(tài)。
    網(wǎng)絡層使用NLDE-DATA．indication原語向其高層表明所接收到的數(shù)據(jù)幀。一旦接收到幀信息，網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體將會檢查幀控制域中安全子域的值。如果該值不為零，則網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)實體將把該幀傳送到安全服務提供單元，并根據(jù)所指定的安全標準對其進行安全處理。
    接收到Flash發(fā)送方式的數(shù)據(jù)后，網(wǎng)絡層會根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)計算小燈閃爍的數(shù)據(jù)間隔，其源函數(shù)程序如下：

4 結束語
    將本文所設計的ZigBee無線網(wǎng)絡節(jié)點應用于軍用車載記錄儀，用來向基站傳送車的速度，油量，水溫，行駛路程等數(shù)據(jù)。經(jīng)測量，在距離基站292 m以內(nèi)的地方，數(shù)據(jù)能準確地傳送到基站，基本達到了預定設計目標。
    ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點設計簡單、開銷小、應用范圍廣，適用于家庭自動化、健康醫(yī)療服務、無線自動讀表系統(tǒng)、智能小區(qū)、無線傳感器網(wǎng)絡、無線工業(yè)控制、智慧型標簽等領域。例如在精確農(nóng)業(yè)領域，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)使用孤立的、無通信能力的機械設備，主要依靠人力檢測作物的生長狀況，而采用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡后，農(nóng)業(yè)將逐漸轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動化、網(wǎng)絡化、智能化和遠程控制的設備來耕種。