【導(dǎo)讀】它綜合了傳感器、微處理器和無線通信三項(xiàng)重大技術(shù)，具有信息采集、處理、無線傳輸能力，是新一代傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要發(fā)展方向。而低功耗、低成本、應(yīng)用簡單方便的ZigBee技術(shù)的誕生為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展和開拓起到了巨大的推動和促進(jìn)作用。首先，本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的背景、發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景進(jìn)行了簡單介紹，然后從體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、協(xié)議棧、特點(diǎn)和關(guān)鍵問題等方面對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行詳細(xì)描述。接著本文又詳細(xì)剖析了ZigBee/。其次，本文對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中包括主芯片CC2430、外圍設(shè)備、射頻模塊、控制電路、顯示電路和接口電路等。再次，本文對基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并通過實(shí)驗(yàn)展示了本文所設(shè)計(jì)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的可行性和可靠性。最后，本文進(jìn)行總結(jié)和展望，并提出了幾種基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

　　

【正文】 收發(fā)器和超低功耗MCU MSP430[10]。 RF前端CC2591集成了可將輸出功率提高＋22dBm的功率放大器，以及可將接收機(jī)靈敏度提高＋6dB的低噪聲放大器，可顯著擴(kuò)大無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。TI的第三種Zigbee方案是無線網(wǎng)絡(luò)處理器CC2480(RF收發(fā)器和ZigBee協(xié)議棧)，可搭配任意MCU，比如MSP430。TI的ZStack軟件ZigBee2006協(xié)議?？稍赯igBee處理器上運(yùn)行，而應(yīng)用程序則在外部MCU上運(yùn)行。用戶在設(shè)計(jì)和使用過程中不需要牽涉到Jennic公司的JN5139芯片是一個低功耗的無線微處理器， IEEE 、192k ROM以及一些數(shù)字及模擬外圍電路，可降低對外部元件的需求。JN5139模塊基于JN5139芯片，已經(jīng)通過歐洲與美國規(guī)范FCC(Federal Communications Commission, 美國聯(lián)邦通訊委員會)與ETSI(European Telemunications Standards Institute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會)的認(rèn)證，可大大縮短在測試無線射頻方面的時間。 IEEE ZigBee堆棧上的基于閃存的16位微處理器(XAP2b核)，并且該產(chǎn)品的SPI接口可以使開發(fā)者容易在自己的MCU中增加ZigBee網(wǎng)絡(luò)功能。Microchip的雙芯片Zigbee方案采用MRF24J40 IEEE 。MRF24J40器件集成了接收器、發(fā)送器、VCO和PLL，最大限度地減少了外接元件并降低功耗。除了芯片，Microchip還提供針對PIC微控制器優(yōu)化的ZigBee協(xié)議棧。這個被稱為MiWi的協(xié)議比ZigBee協(xié)議棧大約小70%，可被用于對成本敏感的應(yīng)用中。Atmel公司的雙芯片解決方案將ATmega1281(或ATmega2561)AVR微控制器與AT86RF230 RF器件整合在一起，能提供兩種PAN應(yīng)用頻段。AT86RF230是真正的SPI到天線的方案，除了天線、晶體振蕩器和去耦電容外，所有的RF主要元件都集成在單一芯片內(nèi)，包括模擬無線電收發(fā)器和數(shù)字解調(diào)器、時間和頻率同步以及數(shù)據(jù)緩沖器。AT86RF230收發(fā)器的鏈路預(yù)算為104dB，工作模式下的電流消耗僅15mA，睡眠模式下的電流消耗低至20nA。選用理想的ZigBee實(shí)現(xiàn)方案可以降低開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，減少成本。選用芯片時，應(yīng)充分考慮芯片的集成度、封裝、管腳數(shù)目、外圍電路、發(fā)射功率和擴(kuò)展性等因素。根據(jù)上述要求綜合比較后，本文采用TI公司推出的高度整合的SOC芯片CC2430方案，它成本低，體積小，外圍設(shè)備豐富且電路簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)、而且能夠勝任WSN節(jié)點(diǎn)的功能和作用。 CC2430芯片介紹 CC2430芯片概述 IEEE ，還包括了8KB的SRAM、大容量閃存以及許多其他的強(qiáng)大特性。根據(jù)芯片的內(nèi)置內(nèi)存的不同，CC2430有三個版本：CC2430F32/F64/F128,編號后綴分別代表具有32KB，64KB或128KB的內(nèi)存。本文選用的CC2430F128版本。CC2430芯片上系統(tǒng)（SOC）是高度集成的解決方案，僅需很少的外圍電路，且選用的原件成本低，可支持快速、廉價的ZigBee節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建。CC2430保持了CC2420所包括的卓越射頻性能，包括超低功耗、高靈敏度、出眾的抗噪聲及抗干擾能力。所集成的MCU為強(qiáng)大的8位、單周期8051微控制核心（其典型性能可達(dá)標(biāo)準(zhǔn)8051性能的8倍）。另外，CC2430還包括了許多強(qiáng)大的外設(shè)資源，比如DMA (Direct Memory Access,直接存儲器訪問)、定時/計(jì)數(shù)器、看門狗定時器（watchdog timer）、AES128協(xié)處理器，8 ~14位ADC、USART (Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter，通用同步/異步串行接收/發(fā)送器)、32KHz晶振的睡眠模式定時器、上電復(fù)位電路（power on reset）、掉電檢測電路（brown out detection）以及21個可編程I/O引腳。CC2430的功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖31所示。 CMOS工藝生產(chǎn)， 7mm7mm QLP封裝，共有48個引腳。在接收機(jī)傳輸模式下的電流損耗分別為27mA和25mA。CC2430的睡眠模式及其與工作模式間超短的激活轉(zhuǎn)換時間，使得此RFIC成為針對超長電池使用壽命應(yīng)用的理想解決方案。CC2430可用于ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器及終端設(shè)備。結(jié)合TI/Chipcon業(yè)界領(lǐng)先的ZigBee協(xié)議棧之后，CC2430被認(rèn)為市面上最具競爭力的ZigBee解決方案。CC2430的主要特性如下：l 高性能和低功耗的8051微控制器核； l 集成符合IEEE GHz RF無線電收發(fā)機(jī)；l 優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾能力。l ，外部的中斷或RTC都能喚醒系統(tǒng)；，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；l 128 KB可編程閃存，2個4KB SRAM；l 硬件支持CSMA/CA機(jī)制；l 較寬的電壓范圍（ V）；l 數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能；l 具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；l 集成了14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；l 集成了AES 128安全協(xié)處理器；l 帶有2個功能強(qiáng)大的支持多組協(xié)議的USART，以及1個符合IEEE ，1個常規(guī)的16位計(jì)時器和2個8位計(jì)時器；l 成本低，體積小，外圍設(shè)備豐富且電路簡單、擴(kuò)展性強(qiáng)；l 完全適合于ZigBee/IEEE ；l 強(qiáng)大和靈活的開發(fā)工具。圖31 CC2430的功能模塊結(jié)構(gòu) CC2430引腳功能介紹 CC2430芯片采用7mm7mm QLP封裝，共有48個引腳，全部引腳可分為I/O端口引腳、電源線引腳、控制線引腳三類。CC2430芯片如圖32所示。圖32 CC2430/31芯片引腳圖1. I/O端口線引腳功能 CC243O有21可編程的I/0口引腳，PO、Pl口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設(shè)定一組特殊功能寄存器 SFR(speeialfunetionregister)的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的工/0口或作為連接ADC、計(jì)時器或USART部件的外圍設(shè)備工/O口使用。 I/O口有下面的關(guān)鍵特性:l 可設(shè)置為通常的工/0口，也可設(shè)置為外圍I/0口使用；l 在輸入時有上拉和下拉能力；l 全部21個數(shù)字工/O口引腳都具有響應(yīng)外部的中斷能力。如果需要外部中斷，可對I/O口引腳產(chǎn)生中斷，同時外部的中斷事件也能被用來喚醒休眠模式。1～6腳（P1_2～P1_7）：具有4mA輸出驅(qū)動能力；8,9腳（P0_0,P1_1）：具有20mA驅(qū)動能力；11～18腳（P0_0～P0_7）：具有4mA輸出驅(qū)動能力；43～46,48腳（P2_0～P2_4）：具有4mA輸出驅(qū)動能力。2. 電源線引腳功能7腳（DVDD）：為I/～；20腳（AVD_SOC）：～；23腳（AVDD_RREG）：～；24腳（RREG_OUT）：為25,27～335～；25腳（AVDD_IF1）：為接收器波段濾波器、模擬測試模塊和VGA（Video Graphics Array）；27腳（AVDD_CHP）：；28腳（VCO_GUARD）：VCO屏蔽電路的報(bào)警連接端口；29腳（AVDD_VCO）：；30腳（AVDD_PRE）:為預(yù)定標(biāo)器、Div ；31腳（AVDD_RF1）:為LNA；33腳（TXRX_SWITCH）:為PA提供調(diào)整電壓；35腳（AVDD_SW）：為LNA/；36腳（AVDD_RF2）：；37腳（AVDD_IF2）：；38腳（AVDD_ADC）：；39腳（DVDD_ADC）：；40腳（AVDD_DGUARD）：為隔離數(shù)字噪聲電路連接電壓；41腳（AVDD_DREG）：～；42腳（DCOUPL）：，此電壓不為外電路所使用；47腳（DVDD）：為I/～。3. 控制線引腳功能10腳（RESET_N）：復(fù)位引腳，低電平有效；19腳（XOSC_Q2）：32MHz的晶振引腳2；21腳（XOSC_Q1）：32MHz的晶振引腳1，或外部時鐘輸入引腳；22腳（RBIAS1）：為參考電流提供精確的偏執(zhí)電阻；26腳（RBIAS2）：提供精確電阻，43（1177。%）kΩ；32腳（RF_P）：在RX期間向LNA輸入正向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入正向信號；34腳（RF_N）：在RX期間向LNA輸入負(fù)向射頻信號；在TX期間接收來自PA的輸入負(fù)向射頻信號；43腳（P2_3/XOSC_Q2）： ；44腳（P2_4/XOSC_Q1）： 。 CC2430的增強(qiáng)型8051內(nèi)核CC2430集成了增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051內(nèi)核MCU核心。該核心使用標(biāo)準(zhǔn)的8051指令集。每個機(jī)器周期的一個時鐘周期與標(biāo)準(zhǔn)8051每個機(jī)器周期中的12個時鐘周期相對應(yīng)，因此其指令執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)8051快。除了速度改進(jìn)外，CC2430的8051內(nèi)核還包含了下列增強(qiáng)架構(gòu)：l 第二數(shù)據(jù)指針；l 擴(kuò)展了18個中斷源。CC2430核心的8051的目標(biāo)代碼與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051目標(biāo)代碼兼容。但是由于與標(biāo)準(zhǔn)8051使用不同的指令定時，因此以往編寫的標(biāo)準(zhǔn)8051目標(biāo)代碼的定時循環(huán)程序需要修改；此外，擴(kuò)充外部設(shè)備所使用的特殊功能寄存器（SFR）涉及的指令代碼也有所不同。1. 復(fù)位 CC2430有四個復(fù)位源：l 低電平復(fù)位RESET_N；l 上電復(fù)位；l 掉電復(fù)位；l 看門狗復(fù)位。復(fù)位后的初始狀態(tài)如下：l I/O引腳設(shè)置為輸入、上拉狀態(tài)；l CPU的程序計(jì)數(shù)器設(shè)置為0x0000，程序從這里開始；l 所有外部設(shè)備的寄存器初始化到它們的復(fù)位值；l 看門狗禁止。2. 存儲器 8051 CPU有四個不同的存儲空間：l 代碼（CODE）：16位只讀存儲空間，用于程序存儲。l 數(shù)據(jù)（DATA）：8位可存取存儲空間，可以直接或間接被單個的CPU指令訪問。該空間的低128字節(jié)可以直接或間接訪問，而高128只能夠間接訪問。l 外部數(shù)據(jù)（XDATA）：16位可存取存儲空間，通常需要4～5個CPU指令周期來訪問。l 特殊功能寄存器（SFR）：7位可存取寄存器存儲空間，可以被單個CPU指令訪問。3. CPU寄存器和指令集 CC2430的CPU寄存器與標(biāo)準(zhǔn)8051的CPU寄存器相同，包括寄存器R0～R程序狀態(tài)字PSW、累加器ACC、B寄存器和堆棧指針SP等；CC2430的CPU指令與標(biāo)準(zhǔn)8051的指令集相同，這里不作詳細(xì)介紹。CC2430有18個中斷源，每個中斷源有它自己的、位于一系列特殊功能寄存器中的中斷請求標(biāo)志。CC2430中斷系統(tǒng)也有中斷屏蔽、中斷處理、中斷優(yōu)先級等功能。關(guān)于CC2430中斷的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[11]。CC2430內(nèi)部有一個系統(tǒng)時鐘。該時鐘的振蕩源既可以用16MHz高頻RC振蕩器，也可以采用32MHz晶體振蕩器。時鐘的控制可以由設(shè)置特殊功能寄存器的CLKCON字節(jié)來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)時鐘同時也可以提供給8051所有的外部設(shè)備使用。振蕩器可以選擇高精度的晶體振蕩器，也可以選擇低成本的RC振蕩器。運(yùn)行RF收發(fā)器時，必須使用高精度的晶體振蕩器。 CC2430的射頻部分1. CC2430射頻電路CC2430的射頻部分其實(shí)就是一個CC2420[12]，有關(guān)射頻原理和CC2420相同。32 kHz時鐘驅(qū)動睡眠定時器和看門狗定時器，并當(dāng)計(jì)算睡眠時期的時間時，作為MAC定時器的閘門。應(yīng)用RF收發(fā)器時，必須選擇32 MHz晶振，確保其穩(wěn)定。因此在外圍電路中設(shè)計(jì)了32 MHz和32 KHz兩個晶振電路，32 KHz，需要時間精度時，為系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的時鐘信號。CC2430的基本射頻電路圖如圖33所示：圖33 CC2430的基本射頻電路圖 2. CSMA/CA協(xié)處理器 在CC2430里，CSMA/CA控制處理器在CPU與無線模塊之間提供一個控制接口。CSMA/CA控制處理器（CSP）可向CPU產(chǎn)生中斷請求，并通過MAC定時器的溢出事件來接口MAC定時器。CSMA/CA以控制處理器允許CPU向無線部分發(fā)出控制命令從而控制無線操作，它包括以下兩種操作模式:直接命令操作模式和程序操作模式。l 直接命令操作直接通過CSP把命令發(fā)送給無線模塊。直接命令操作模式僅由CSP控制。l 程序操作是指CSP執(zhí)行一個由程序存儲器或指令內(nèi)存中指令序列組成的程序段來進(jìn)行操作，這些指令是CC243O規(guī)定的指令集。這需要CPU首先把程序段下載到CSP中，再由CPU通知CSP開始執(zhí)行這些程序段。3. 天線CC2430射頻模塊天線的選擇直接影響到它的RF能力大小。常見的天線有PCB天線（PCB antenna），貼片天線（chip antenna）和帶連接器的鞭狀天線(whip antenna)。表31列舉這三種天線的優(yōu)缺點(diǎn)：表31 天線對比天線類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)PCB天線價格低，高頻時尺寸小設(shè)計(jì)尺寸小且高效的天線比較困難，低頻時尺寸大，性能一般貼片天線尺寸小價格中等，性能中等鞭狀天線性能好，應(yīng)用普遍價格略高，尺寸大 為了保證節(jié)點(diǎn)有足夠的發(fā)射能力，我們最看重性能，所以這里我們選用鞭狀天線。但是如果簡單的近距離發(fā)射，傳感器網(wǎng)絡(luò)中的精簡功能節(jié)點(diǎn)也可選貼片天線，它的尺寸小，價格便宜。 CC2430的其它外圍設(shè)備 直接存取（DMA）控制器 中斷方式解決了高速內(nèi)核與低速外設(shè)之間的矛盾，從而提高了CPU的效率。但在中斷方式中，為了保證可靠地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，必須花費(fèi)一定的時間，如重要信息的保護(hù)以及恢復(fù)等操作，而它們都是與輸入/輸出操作本身無關(guān)的操作。因此，對于高速外設(shè)，中斷方式就會感到吃力。為了提高數(shù)