一种无线网络节点设计

 

①驱动CSn为低电平，告知CC2420开始新的SPI通信周期。

 

　　②CC2420选中后，开始驱动SCLK时钟信号。SCLK无需用固定频率驱动并有一SO上的数据；在SCLK信号下降沿，如果SO为输出模式，CC2420将改变SO上的数据。

　　③当这一周期完成时，停止SCLK的驱动并将CS_信号变为高电平。

　　3.4 供电模块

　　偏远地区的工业设施、军事装备的监控系统具有无人值守、低数据量和点多面广等特点，该监控系统应用ZigBee无线传感器网络传输数据，采用电池供电，因此，网络节点的功耗为系统设计的关键。CC2420采用低电压供电（2.1～3.6V），并具有休眠模式，且从休眠模式激活的时延短，因此，功耗大大减小。CC2420各状态下的电流消耗典型值为：稳压器关闭为0.02μA，低电位模式为20μA，空闲模式为426μA，接收模式为18.8mA，发送模式（POUT=0dBm）为17.4mA。另外，PIC18F4620也是一款低电压供电的器件（2.0～5.5V），并具有运行、空闲、休眠3种功耗管理模式，合理利用这些功耗管理模式可获得理想的节能效果。该系统设计的3.3V稳压电源是由两节五号电池或9V方型镍氢电池稳压至3.3V的电源来提供。图2为CC2420射频收发器的应用电路。

图2 CC2420 应用电路图

　　其外围电路包括晶振时钟电路、射频输入／输出匹配电路和微控制器接口电路3部分。CC2420的本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外接晶体振荡器和2只负载电容，其电容容量取决于晶体频率及输入容抗等参数。例如采用16MHz晶体振荡器时，其电容值约为22pF。射频输入/输出匹配电路主要用于匹配器件的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50Ω，同时为CC2420器件内部的PA及LNA提供直流偏置。如果两节点相距较远，而且不易安装中间节点中继，可采用增加功放电路提高输出功率的方法实现较远距离的传输。图3为功放电路图。74LVC2G04是双非门缓存器用于控制UPG2214TK单刀双掷开关，选通发送或接收电路，而UP2202是一款高增益2.4Hz功放器件，用于提高射频电路的输出功率。这种带功放的节点一般应用于簇头节点或汇聚节点，以及沟壑地带等不易连接且相距较远的节点间数据传输。当然，这种节点消耗较大，大大降低电池寿命，因此在人烟稀少或不易到达的地点，需采用可充电的电池供电（输出电流达到120mA），同时采用太阳能板为电池充电。

　　4  结语

　　CC2420RF收发器适用于大量分布节点的传感器网络。电路设计中重点考虑的是线路抗干扰问题，电路板设计成4层板，未布线的区域用敷铜并接地，CC2420底部通过多个过孔与地层连接，滤波电容尽量靠近器件放置，数字地和模拟地采用0Ω电阻或磁珠隔离。另外，节点安装位应尽量避开树木，以减少对该电磁波的吸收，影响传输稳定性。

　　经过测试，增加功放电路后射频输出功率可达18dBm；在空旷地域，两相邻网络节点可以在500m范围内可靠传输数据。需要注意的是，普通节点一般不要外加功放，采用休眠机制，以延长电池使用寿命。

 

　1  引言

　　射频收发器CC2420应用Chipcon公司的SmartRF03技术，采用0.18μmCMOS工艺，只需极少的外部元件，性能稳定且功耗极低，同时集成所有ZigBee技术优点，可快速应用到建筑自动化网络、住宅安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设等ZigBee产品中，也可以替代现有的控制网络技术（例如RS-422、RS-485）和有线监视方案。

　　由于无线传感器网络在通信上消耗较大能量，选用功耗较小的PIC18F4620单片机为处理器，以及选用CC2420为通信器件，设计无线网络节点，因此，这里提出一种基于CC2420的ZigBee无线网络节点的设计方案。

　　2  CC2420简介

　　CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的RXRAM、1个128字节的TXRAM、1个112字节的安全信息存储器。TX和RXRAM的存取可通过地址或者用2个8位的寄存器实现，而采用后者访问内存与访问FIFO缓冲区一样，不能读取/写入任何数据到安全信息RAM，也不能把TXRAM和RXRAM作为内存访问，只能以FIFOS的方式访问，而对寄存器的操作则可通过SPI接口以从属方式使用。

　　CC2420内置一个低中频接收器，负责处理天线接收到的RF信号，经低噪声放大器（LNA）放大，并通过I/Q正交平衡电路降频转换为2MHz的中频信号。该信号再经滤波、放大、A/D转换、自动增益控制、信道过滤、解扩频、符号相关和字节同步等恢复出正确的数据。当发送数据时，应先把要发送的数据放入容量为128字节的发送缓冲区。报头和起始帧由硬件自动生成。CC2420的内部结构其性能特点如下：免执照频段：工作频带范围为2.400～2.4835GHz；数据传输速率低：2M/s直接扩频序列基带调制解调和250Kbits的有效数据速率；低电流消耗和高接收灵敏度：接收19.7mA，发射17.4mA，接收灵敏度为-94dBm；高可靠性：

　　采用了CSMA/CA技术避免发送数据的竞争和冲突，MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；安全性高：基于CRC（循环冗余校验）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用高级加密标准（AES2128）的对称密码，保证数据安全传输；小尺寸封装：QLP-48封装，7mm×7mm；接口配置简单：与微处理器的接口配置简易（4总线SPI接口）。

　　3  ZigBee无线网络节点硬件设计

　　根据ZigBee传感器网络节点管理机制，把节点分成传感器节点、簇头节点和汇聚节点3种类型。当节点作为传感器节点时，主要是通过传感器采集周围环境的数据（温度、位移、光感度和湿度等），然后进行A/D转换，由处理器处理，最后由射频模块发送到相邻节点，同时该节点也要执行数据转发功能，即把相邻节点发送的数据发送到汇聚节点或离汇聚节点更近的节收稿日期点；当节点作为簇头节点时，主要是收集该簇内所有节点所采集到的信息，经数据融合后，发往汇聚节点；当节点作为汇聚节点时，其主要功能就是连接传感器网络与外部网络（如Internet），将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。虽然节点的功能有所不同，但硬件电路基本一致。

　　设计选用PIC18系列的单片机+CC2420解决方案，因此要创建ZigBee传感器节点必须具备以下组件：传感器设备，带SPI接口的PIC18F4620单片机，带有所需外部元件的CC2420RF收发器，天线（PCB引线天线或单极天线），3.3V稳压电源。整个硬件系统划分为数据采集、数据处理、射频和供电4个模块，如图1所示。

　　3.1 数据采集模块

　　数据采集模块是应用传感器件监测外部环境，比如温度、湿度、液位、位移、转速等模拟参数，然后通过A/D转换送给单片机进行处理。

　　3.2 数据处理模块

　　处理器是整个节点的中心，其他模块都要通过处理器控制，因此处理器性能的好坏决定整个节点的性能。处理器采用PIC18F4620型单片机，它具有13路通道的10位模数转换模块，2.0～5.5V宽工作电压，内嵌用于存储数据的3986字节SRAM和用于存储程序代码的64K字节Flash，JTAG程序下载和在线调试接口，支持4线SPI和I2C主从模式等特点。

　　3.3 射频模块

　　在无线传感器网络中，最关键的技术是实现节点间的通信。随着集成电路的发展，芯片的集成度越来越高，能耗越来越少，因此，传感器节点的能量主要是消耗在通信上。

　　所以，选择一款低能耗的通信器件将节省节点能量，延长寿命。

　　在ZigBee无线传感器网络应用中，射频收发器CC2420工作在从机模式，PIC18F4620工作在主机模式，通过SPI接口配置CC2420寄存器参数和读写缓冲器内的数据，详细的引脚连接如表1所示。

　　CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶体振荡器等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段工作。同时，CC2420提供一个4线SPI接口（SI、SO、SCLK、CSn）与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作，并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。片选信号CSn低电平有效。该接口使用步骤为：