摘 要：綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術等多學科領域的無線傳感器網(wǎng)絡[1]已經(jīng)引起了人們的極大關注。它在國防軍事、環(huán)境科學以及智能家居等領域有著廣泛的應用，由于其通常運行在人不能或不便接近的環(huán)境，能源無法替代，因此，設計合理的網(wǎng)絡節(jié)點成為無線傳感器網(wǎng)絡的關鍵問題。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)絡節(jié)點設計方案，論述了系統(tǒng)的構成和工作原理，對系統(tǒng)硬件電路和軟件設計作了說明。 關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡，ZigBee技術，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。它具有在802.15.4規(guī)范上創(chuàng)建的安全和應用層接口、工作于免授權的2.4GHz頻段、以年計算的超低電池壽命、極大可伸縮的網(wǎng)絡和星型網(wǎng)絡拓撲（每個主設備可支持4萬多個節(jié)點）等諸多優(yōu)點，在國防軍事、工業(yè)控制、消費性電子設備等領域有很大的發(fā)展空間[3]。 　　RF CC2430芯片[4]以強大的集成開發(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)標準為支持，得到嵌人式機構很高的認可。它結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議棧、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應用于汽車、工控系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡等領域，同時也適用于ZigBee之外2. 4GHz頻率的其他設備。 二、硬件設計 　　1、芯片無線收發(fā)模塊內(nèi)部結構 　　CC2430芯片的內(nèi)部結構如圖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、自動增益控制、數(shù)字解調(diào)和解擴，最終恢復出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)。 [align=center] 圖1 CC2430芯片內(nèi)部結構[/align] 　　發(fā)射機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產(chǎn)生的。根據(jù)TEEE 802.15.4標準，所要發(fā)送的數(shù)據(jù)流的每4個比特被32碼片的擴頻序列擴頻后送到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)硬件設計 　　傳感器節(jié)點一般由數(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)點硬件結構由圖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進行通信。 [align=center] 圖2 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成框圖[/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自流穩(wěn)壓器，能夠把3.3V電壓轉化成1.8V電壓。這樣對于只有3.3 V電源的設備，不需要額外的電壓轉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)采用差分方式進行傳輸，其最佳差分負載是 ，阻抗匹配電路應該根據(jù)這個數(shù)值進行調(diào)整。如果使用單端天線則需要使用平衡/非平衡阻抗轉換電路（BALLUN，巴倫電路），以達到最佳收發(fā)效果。 　　CC2430需要有16MHz的參考時鐘用于250kbps數(shù)據(jù)的收發(fā)。這個參考時鐘可以來自外部時鐘源，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要求時鐘源的精度應該在 以內(nèi)。 三、軟件設計 　　按照硬件電路設計，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;開啟接收機后，就可以運行任務程序，實現(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)議是軟件中的一個重要問題，因為它自接關系到節(jié)點的性能。因此，在鏈路層，設計了一個簡化的CSMA/CA協(xié)議，即任何節(jié)點在發(fā)送之前必須進行一段隨機時間的偵聽，在確認目前沒有別的節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸時才進行數(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，關閉偵聽功能，以盡可能降低功耗。當然，這種協(xié)議存在著隱含節(jié)點以及偵聽時的功耗損失等問題，但在一定的節(jié)點數(shù)量范圍內(nèi)還是很有效的。在網(wǎng)絡層協(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、結束語 　　Smart RF CC2430是一款符合ZigBee技術的高集成度商業(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，工作于免授權的2. 4GHz頻段。利用此芯片開發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點成本低、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、抗毀性強等特點，為無線傳感網(wǎng)絡的廣泛應用提供了理想的解決方案。 參考文獻 　　[1] 陳帥，鐘先信，劉積學，等.無線傳感器網(wǎng)絡的新進展與應用[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技術的無線網(wǎng)絡應用研究[J].計算機應用與軟件，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. 一種藍牙無線傳感器網(wǎng)絡的實現(xiàn)[J].微計算機信息，2006,22（7） ：59-62 　　[7] 侯惠峰,劉湘雯,于宏毅等.無線傳感器網(wǎng)絡與IPv6網(wǎng)絡的互聯(lián)方式研究[J].電信科學，2006（6） ：59-62