1  引言
 
基于zigbee技術的無線傳感器網(wǎng)絡適用于網(wǎng)點多、體積小、數(shù)據(jù)量小，傳輸可靠、低功耗等場合，在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領域已取得一席之地[1]。同時，zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善[2]。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee協(xié)議規(guī)范的演進對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求[3]。

2  設計要求

2.1 zigbee網(wǎng)絡結構
 
從網(wǎng)絡結構上看，zigbee網(wǎng)絡有星形，樹形，網(wǎng)狀3種模式，按照網(wǎng)絡節(jié)點功能劃分可分為終端節(jié)點(ep)、路由器節(jié)點(rp)和協(xié)調器節(jié)點(cp)3種[2]。其組織結構如圖1示。

圖1 zigbee網(wǎng)絡拓撲結構

其中，協(xié)調器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網(wǎng)絡，識別網(wǎng)絡中的設備加入網(wǎng)絡；路由器節(jié)點支撐網(wǎng)絡鏈路結構，完成數(shù)據(jù)包的轉發(fā)；終端節(jié)點是網(wǎng)絡的感知者和執(zhí)行者，負責數(shù)據(jù)采集和可執(zhí)行的網(wǎng)絡動作[2]。這就要求zigbee網(wǎng)絡節(jié)點需扮演終端感知者、網(wǎng)絡支持者、網(wǎng)絡協(xié)調者3種角色。
 
從功能上，zigbee節(jié)點應由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設功能模塊組成。其結構如圖2所示。

圖2  zigbee網(wǎng)絡節(jié)點模塊圖

其中，包括dma、usart模塊、定時器模塊、a/d模塊在內(nèi)的豐富的外設功能來滿足網(wǎng)絡對硬件資源的需求，存儲器模塊完成協(xié)議棧的存儲與執(zhí)行，cpu實現(xiàn)數(shù)據(jù)的運算與處理，mac定時器用于實現(xiàn)網(wǎng)絡同步，使用aes技術對信息進行加密，無線模塊完成收據(jù)的收發(fā)與信息幀控制。

2.2 zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計要求
 
(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能，同時要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個工作頻段之一，有16個速率為250kb/s的信道。
 
(2)體積小，成本低，易于大規(guī)模布建。zigbee技術較其它無線技術的優(yōu)勢在于自組網(wǎng)，這就需要布建大規(guī)模的網(wǎng)絡節(jié)點，因此成本問題凸顯出來，有資料顯示：10$左右的zigbee網(wǎng)絡節(jié)點有較高的性價比。
 
(3)可靠性。與有線傳輸介質相比，無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題，zigbee網(wǎng)絡是工作在2.4ghz ism頻段，與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網(wǎng)絡在有效范圍內(nèi)建立可靠的傳輸，網(wǎng)絡節(jié)點應選擇合理的信道接入方式，有效減少幀沖突，使用合理的擴頻技術。
 
(4)通用性。布建zigbee網(wǎng)絡的最終目的是通過網(wǎng)絡完成各類操作，主要是i/o操作和a/d操作，這就要求網(wǎng)絡節(jié)點有一定的通用性，能滿足各類傳感器和終端設備的操作要求。
 
(5)低功耗，支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機制使設備更加省電。典型的zigbee節(jié)點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。
 
zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的設計應按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設計和軟件設計。

3  硬件設計

3.1芯片選型
 
zigbee網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網(wǎng)絡的建立與維護，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運行[3]。在網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計中可以根據(jù)成本與操作可行性等因數(shù)選擇不同的的設計方案，本設計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。

設計選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz頻段，是符合ieee 802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案，也是目前眾多zigbee設備產(chǎn)品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下：

(1)片內(nèi)集成增強型高速8051內(nèi)核處理器，支持代碼預?。?56kflash程序存儲器，支持最新zigbee2007pro協(xié)議；8k數(shù)據(jù)存儲器；支持硬件調試[3]。

(2)支持2v-3.6v供電區(qū)間，具有3種電源管理模式：喚醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中斷模式0.4ua。包括處理器和智能片內(nèi)外設在內(nèi)的模塊，具有超低功耗的特點[3]。

(3)片內(nèi)集成5通道dma；mac定時器；1個16位、兩個8位普通定時器；32khz睡眠定時器；電源管理與片內(nèi)溫度傳感器；8通道12位ad轉換器；看門狗等智能外設[3]。高密度集成化電路節(jié)約設計成本。

(4)應用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠程控制系統(tǒng)、zigbee網(wǎng)絡、家居自動化、照明系統(tǒng)、工業(yè)測控、低功耗wsn等領域[3]。

cc2530芯片結構如圖3所示。

圖3 cc2530片內(nèi)功能模塊圖

3.2硬件整體設計
 
在網(wǎng)絡節(jié)點硬件平臺中，cc2530需要實現(xiàn)的功能以及外圍模塊主要有3個部分：通過a/d口控制傳感器模塊進行數(shù)據(jù)采集；控制無線rf模塊完成數(shù)據(jù)收發(fā)；通過i/o口相應主機控制。傳感器采集的數(shù)據(jù)也可通過i/o口與微處理器相連，通過rs232接口可實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)點與pc機的通信[3]。外圍硬件電路原理圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡節(jié)點硬件參考電路圖

由于cc2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡潔。其中，主時鐘晶振采用32mhz無源晶振以及32.768khz時鐘晶振；無線rf模塊外圍電路采用無巴倫的阻抗匹配網(wǎng)絡，天線使用50歐鞭狀負極性天線，具體的元器件封裝信息參見附表所示。

附表  網(wǎng)絡節(jié)點封裝信息表

為了更好提高芯片內(nèi)部電壓精度，輸入電壓應采用調制后的3.3v穩(wěn)壓電源，接內(nèi)部參考電壓的外圍電阻r301精度要在0.5%以上，且選用質量較好的電感、電容等器件。為了指示網(wǎng)絡節(jié)點的運行狀態(tài)，在硬件設計中加入兩個狀態(tài)指示燈，使用220歐的限流電阻，分別接在微處理器芯片的p10、p11口，用于指示設備入網(wǎng)、退網(wǎng)等狀態(tài)，方便開發(fā)人員觀察，指示燈為可選電路，可根據(jù)需求選擇使用。

3.3 pcb設計
 
cc2530的zigbee網(wǎng)絡節(jié)點pcb設計是硬件設計的關鍵，它同時具備數(shù)字電路與高頻電路的特點。在元件布局盡量緊湊、美觀；在數(shù)字信號線走線上做到自然、平滑；高頻部分包括匹配電感、電容布局盡量獨立、避免干擾，并符合天線特性；節(jié)點接口分布采用ti標準接口形式，結構穩(wěn)固可靠。由于cc2530集無線收發(fā)和微處理器于一體，只需要極少的外圍輔助電路[3]，因此pcb的設計要完全適合無線傳感器網(wǎng)絡應用。本設計中zigbee網(wǎng)絡節(jié)點pcb圖和實物如圖5所示。pcb板的尺寸為長寬高25mm×41mm×1.6mm，接口為11×2雙排插針，間距2.54mm。接口管腳定義為ti的標準接口。

                         圖5 通信模塊圖

3.4 硬件測試
 
經(jīng)實地測量，在不加功率增益的情況下有效傳輸距離120米；最大輸出功率10dbm；接收靈敏度-97dbm；功耗方面：接收模式24ma，發(fā)送模式29ma，低功耗模式0.4ua。該設備具有功能模塊專一、接口穩(wěn)固通用的特點，8路模擬量輸入接口，4路數(shù)字量輸入輸出接口，2路數(shù)字量輸出接口和1個rs232接口。

4  結束語
 
本文介紹了zigbee網(wǎng)絡節(jié)點設計要求、性能特點與構建框架和較為詳盡的設計過程；給出了外圍電路的設計以及實際設計出的實物和元器件參數(shù)；無線射頻部分的特點和pcb設計中的注意事項