基于CC2420的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

1  引言

　　射頻收發(fā)器CC2420應(yīng)用Chipcon公司的SmartRF03技術(shù)，采用0.18μmCMOS工藝，只需極少的外部元件，性能穩(wěn)定且功耗極低，同時集成所有ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，可快速應(yīng)用到建筑自動化網(wǎng)絡(luò)、住宅安防系統(tǒng)、工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程抄表以及PC外設(shè)等ZigBee產(chǎn)品中，也可以替代現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（例如RS-422、RS-485）和有線監(jiān)視方案。

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信上消耗較大能量，選用功耗較小的PIC18F4620單片機(jī)為處理器，以及選用CC2420為通信器件，設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，因此，這里提出一種基于CC2420的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計方案。

　　2  CC2420簡介

　　CC2420有33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器、1個128字節(jié)的RXRAM、1個128字節(jié)的TXRAM、1個112字節(jié)的安全信息存儲器。TX和RXRAM的存取可通過地址或者用2個8位的寄存器實現(xiàn)，而采用后者訪問內(nèi)存與訪問FIFO緩沖區(qū)一樣，不能讀取/寫入任何數(shù)據(jù)到安全信息RAM，也不能把TXRAM和RXRAM作為內(nèi)存訪問，只能以FIFOS的方式訪問，而對寄存器的操作則可通過SPI接口以從屬方式使用。

　　CC2420內(nèi)置一個低中頻接收器，負(fù)責(zé)處理天線接收到的RF信號，經(jīng)低噪聲放大器（LNA）放大，并通過I/Q正交平衡電路降頻轉(zhuǎn)換為2MHz的中頻信號。該信號再經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換、自動增益控制、信道過濾、解擴(kuò)頻、符號相關(guān)和字節(jié)同步等恢復(fù)出正確的數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，應(yīng)先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入容量為128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。報頭和起始幀由硬件自動生成。CC2420的內(nèi)部結(jié)構(gòu)其性能特點(diǎn)如下：免執(zhí)照頻段：工作頻帶范圍為2.400～2.4835GHz；數(shù)據(jù)傳輸速率低：2M/s直接擴(kuò)頻序列基帶調(diào)制解調(diào)和250Kbits的有效數(shù)據(jù)速率；低電流消耗和高接收靈敏度：接收19.7mA，發(fā)射17.4mA，接收靈敏度為-94dBm；高可靠性：

　　采用了CSMA/CA技術(shù)避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突，MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息；安全性高：基于CRC（循環(huán)冗余校驗）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES2128）的對稱密碼，保證數(shù)據(jù)安全傳輸；小尺寸封裝：QLP-48封裝，7mm&TImes;7mm；接口配置簡單：與微處理器的接口配置簡易（4總線SPI接口）。

　　3  ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

　　根據(jù)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理機(jī)制，把節(jié)點(diǎn)分成傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)3種類型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)時，主要是通過傳感器采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)（溫度、位移、光感度和濕度等），然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，由處理器處理，最后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點(diǎn)，同時該節(jié)點(diǎn)也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，即把相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)或離匯聚節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)收稿日期點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)時，主要是收集該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)所采集到的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)往匯聚節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)時，其主要功能就是連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)（如Internet），將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。雖然節(jié)點(diǎn)的功能有所不同，但硬件電路基本一致。

　　設(shè)計選用PIC18系列的單片機(jī)+CC2420解決方案，因此要創(chuàng)建ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)必須具備以下組件：傳感器設(shè)備，帶SPI接口的PIC18F4620單片機(jī)，帶有所需外部元件的CC2420RF收發(fā)器，天線（PCB引線天線或單極天線），3.3V穩(wěn)壓電源。整個硬件系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、射頻和供電4個模塊，如圖1所示。

　　3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

　　數(shù)據(jù)采集模塊是應(yīng)用傳感器件監(jiān)測外部環(huán)境，比如溫度、濕度、液位、位移、轉(zhuǎn)速等模擬參數(shù)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

　　3.2 數(shù)據(jù)處理模塊

　　處理器是整個節(jié)點(diǎn)的中心，其他模塊都要通過處理器控制，因此處理器性能的好壞決定整個節(jié)點(diǎn)的性能。處理器采用PIC18F4620型單片機(jī)，它具有13路通道的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，2.0～5.5V寬工作電壓，內(nèi)嵌用于存儲數(shù)據(jù)的3986字節(jié)SRAM和用于存儲程序代碼的64K字節(jié)Flash，JTAG程序下載和在線調(diào)試接口，支持4線SPI和I2C主從模式等特點(diǎn)。