一種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

　　3.4 供電模塊

　　偏遠地區的工業(yè)設施、軍事裝備的監控系統具有無(wú)人值守、低數據量和點(diǎn)多面廣等特點(diǎn)，該監控系統應用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )傳輸數據，采用電池供電，因此，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的功耗為系統設計的關(guān)鍵。CC2420采用低電壓供電（2.1～3.6V），并具有休眠模式，且從休眠模式激活的時(shí)延短，因此，功耗大大減小。CC2420各狀態(tài)下的電流消耗典型值為：穩壓器關(guān)閉為0.02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18.8mA，發(fā)送模式（POUT=0dBm）為17.4mA。另外，PIC18F4620也是一款低電壓供電的器件（2.0～5.5V），并具有運行、空閑、休眠3種功耗管理模式，合理利用這些功耗管理模式可獲得理想的節能效果。該系統設計的3.3V穩壓電源是由兩節五號電池或9V方型鎳氫電池穩壓至3.3V的電源來(lái)提供。圖2為CC2420射頻收發(fā)器的應用電路。

圖2 CC2420 應用電路圖

　　其外圍電路包括晶振時(shí)鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時(shí)需外接晶體振蕩器和2只負載電容，其電容容量取決于晶體頻率及輸入容抗等參數。例如采用16MHz晶體振蕩器時(shí)，其電容值約為22pF。射頻輸入/輸出匹配電路主要用于匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50Ω，同時(shí)為CC2420器件內部的PA及LNA提供直流偏置。如果兩節點(diǎn)相距較遠，而且不易安裝中間節點(diǎn)中繼，可采用增加功放電路提高輸出功率的方法實(shí)現較遠距離的傳輸。圖3為功放電路圖。74LVC2G04是雙非門(mén)緩存器用于控制UPG2214TK單刀雙擲開(kāi)關(guān)，選通發(fā)送或接收電路，而UP2202是一款高增益2.4Hz功放器件，用于提高射頻電路的輸出功率。這種帶功放的節點(diǎn)一般應用于簇頭節點(diǎn)或匯聚節點(diǎn)，以及溝壑地帶等不易連接且相距較遠的節點(diǎn)間數據傳輸。當然，這種節點(diǎn)消耗較大，大大降低電池壽命，因此在人煙稀少或不易到達的地點(diǎn)，需采用可充電的電池供電（輸出電流達到120mA），同時(shí)采用太陽(yáng)能板為電池充電。

　　4 結語(yǔ)

　　CC2420RF收發(fā)器適用于大量分布節點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò )。電路設計中重點(diǎn)考慮的是線(xiàn)路抗干擾問(wèn)題，電路板設計成4層板，未布線(xiàn)的區域用敷銅并接地，CC2420底部通過(guò)多個(gè)過(guò)孔與地層連接，濾波電容盡量靠近器件放置，數字地和模擬地采用0Ω電阻或磁珠隔離。另外，節點(diǎn)安裝位應盡量避開(kāi)樹(shù)木，以減少對該電磁波的吸收，影響傳輸穩定性。

　　經(jīng)過(guò)測試，增加功放電路后射頻輸出功率可達18dBm；在空曠地域，兩相鄰網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)可以在500m范圍內可靠傳輸數據。需要注意的是，普通節點(diǎn)一般不要外加功放，采用休眠機制，以延長(cháng)電池使用壽命。

　1 引言

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

　　由于無(wú)線(xiàn)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單片機為處理器，以及選用CC2420為通信器件，設計無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，因此，這里提出一種基于CC2420的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計方案。

　　2 CC2420簡(jiǎn)介

　　CC2420有33個(gè)16位配置寄存器、15個(gè)命令選通寄存器、1個(gè)128字節的RXRAM、1個(gè)128字節的TXRAM、1個(gè)112字節的安全信息存儲器。TX和RXRAM的存取可通過(guò)地址或者用2個(gè)8位的寄存器實(shí)現，而采用后者訪(fǎng)問(wèn)內存與訪(fǎng)問(wèn)FIFO緩沖區一樣，不能讀取/寫(xiě)入任何數據到安全信息RAM，也不能把TXRAM和RXRAM作為內存訪(fǎng)問(wèn)，只能以FIFOS的方式訪(fǎng)問(wèn)，而對寄存器的操作則可通過(guò)SPI接口以從屬方式使用。

　　CC2420內置一個(gè)低中頻接收器，負責處理天線(xiàn)接收到的RF信號，經(jīng)低噪聲放大器（LNA）放大，并通過(guò)I/Q正交平衡電路降頻轉換為2MHz的中頻信號。該信號再經(jīng)濾波、放大、A/D轉換、自動(dòng)增益控制、信道過(guò)濾、解擴頻、符號相關(guān)和字節同步等恢復出正確的數據。當發(fā)送數據時(shí)，應先把要發(fā)送的數據放入容量為128字節的發(fā)送緩沖區。報頭和起始幀由硬件自動(dòng)生成。CC2420的內部結構其性能特點(diǎn)如下：免執照頻段：工作頻帶范圍為2.400～2.4835GHz；數據傳輸速率低：2M/s直接擴頻序列基帶調制解調和250Kbits的有效數據速率；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)送數據的競爭和沖突，MAC層采用完全確認的數據傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息；安全性高：基于CRC（循環(huán)冗余校驗）的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用高級加密標準（AES2128）的對稱(chēng)密碼，保證數據安全傳輸；小尺寸封裝：QLP-48封裝，7mm×7mm；接口配置簡(jiǎn)單：與微處理器的接口配置簡(jiǎn)易（4總線(xiàn)SPI接口）。

　　3 ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計

　　根據ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)管理機制，把節點(diǎn)分成傳感器節點(diǎn)、簇頭節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)3種類(lèi)型。當節點(diǎn)作為傳感器節點(diǎn)時(shí)，主要是通過(guò)傳感器采集周?chē)h(huán)境的數據（溫度、位移、光感度和濕度等），然后進(jìn)行A/D轉換，由處理器處理，最后由射頻模塊發(fā)送到相鄰節點(diǎn)，同時(shí)該節點(diǎn)也要執行數據轉發(fā)功能，即把相鄰節點(diǎn)發(fā)送的數據發(fā)送到匯聚節點(diǎn)或離匯聚節點(diǎn)更近的節收稿日期點(diǎn)；當節點(diǎn)作為簇頭節點(diǎn)時(shí)，主要是收集該簇內所有節點(diǎn)所采集到的信息，經(jīng)數據融合后，發(fā)往匯聚節點(diǎn)；當節點(diǎn)作為匯聚節點(diǎn)時(shí)，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），將傳感器節點(diǎn)采集到的數據通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛星發(fā)送給用戶(hù)。雖然節點(diǎn)的功能有所不同，但硬件電路基本一致。

　　設計選用PIC18系列的單片機+CC2420解決方案，因此要創(chuàng )建ZigBee傳感器節點(diǎn)必須具備以下組件：傳感器設備，帶SPI接口的PIC18F4620單片機，帶有所需外部元件的CC2420RF收發(fā)器，天線(xiàn)（PCB引線(xiàn)天線(xiàn)或單極天線(xiàn)），3.3V穩壓電源。整個(gè)硬件系統劃分為數據采集、數據處理、射頻和供電4個(gè)模塊，如圖1所示。