基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计

崔文龙，邹 虹

(重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆400065)

0 引言

由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统就是无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)［1］。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。ZigBee［2］作为一种基于IEEE802.15.4［3］标准的短距离、低速率、低功率和低成本的无线网络通信技术，其开发是为了建立一种低成本、低功耗的小区域的无线通信方式，在此基础上通过软件协议栈发展出大容量、不依赖现有通信网络和现有电力网络的无线网络。协议栈不需注册，ZigBee技术使用免费的 IMS的 2.4GHz、915MHz和868MHz频段［2］，传输速率为20k ～250kbps。与蓝牙、红外和WiFi等无线通信技术相比有着成本和开发简单等优势，所以ZigBee是无线传感网主要的无线通信技术标准。

ZigBee具有低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本等特点，可广泛应用在2.4GHz IEEE 802.15.4 系统，RF4CE 遥控制系统，ZigBee系统，家庭/建筑物自动化，照明系统，工业控制和监视，低功耗无线传感器网络，消费类电子和卫生保健［4］。

1 方案设计

1.1 方案选择

目前ZigBee技术提供方式有三种［5］:

(1)ZigBee RF+MCU 例如:TI CC2420+MSP430、FREESCLAE MC13 XX+GT60、MICROCHIP MJ2440+PIC MCU。

(2)单芯片集成SOC 如:TI CC2430/CC2431(8051内核)、FREESCALE MC1321X、EM250。

(3)单芯片内置ZigBee协议栈+外挂芯片JENNIC SOC+EEPROM、EMBE R 260+MCU。

不同处理器会导致节点的整体能耗和节点的工作寿命的不同。射频单元决定无线通信频段、节点间数据通信的收发速率以及节点的通信距离等。本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。选用TI公司针对 2.4GHz频段推出的 CC2530F256 芯片，CC2530［6］是 TI公司推出的最新一代 ZigBee标准芯片，适用于2.4GHz、IEEE 802.15.4、ZigBee和 RF4CE 应用。符合 IEEE802.15.4规范，结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈(Z－StackTM)，提供了一个强大和完整的ZigBee解决方案。也是目前众多ZigBee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。其主要特性如下:

(1)片内集成了极好性能的一流RF收发器，工业标准增强性8051 MCU，支持代码预取;256kB Flash ROM和8kBRAM，支持硬件调试。

(2)具有 2个 USART、1个 16位、2个 8位定时器;32kHz睡眠定时器;8通道输入可配置12位AD转换器;看门狗等智能外设。硬件支持CSMA－CA、强大的DMA功能(片内集成5通道DMA)，具备电源管理与温度感测功能;高密度集成化电路节约设计成本［1］。

(3)宽电源电压范围(2V～3.6V);支持5种工作模式［1］，且转换时间短:唤醒模式 0.2mA、睡眠模式 1μA、中断模式0.4μA。在接收和发送模式下，电流损耗分别为24mA和29mA，可以较好地满足超低功耗系统的要求。

(4)由于硬件设计简单，功耗低，封装小等特点，得到了越来越广泛地应用。包括 2.4GHz IEEE802.15.4系统、RF4CE远程控制系统、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗 WSN 等领域［2］。

1.2 硬件设计

分析节点需要实现的功能包括控制传感器采集信息，控制微处理器进行信息存储和处理以及通过无线收发模块完成数据收发［7］。在实际应用中，由于需要节点长时间地工作，要求有效降低功耗，因此需要节点硬件系统结构设计简单、精简。包括以下几部分:供电部分、CC2530片上系统、天线、32MHz系统时钟和32.768kHz的实时时钟、串行接口及JTAG调试接口。CC2530片上系统消耗大部分能量，其余电路与之相比可忽略。CC2530芯片正常工作时，在接收和发送模式下，电流损耗分别为24mA和29mA，所以系统整体比较省电，具有较低功耗［8］，可以满足长时间工作的要求。

节点的硬件结构框图见图1。

图1 节点的硬件结构框图

1.2.1 电源电路

电源是所有电子系统的基础，电源模块的设计直接关系到节点的寿命。能量供应模块［9］主要的功能是负责为传感器节点提供运行所需的能量，一般情况下使用微型电池。

我们采用外接交流电对其供电。提供9V～15V(最好是9V)未稳压的直流电源，经过变压器变压、稳压后提供3V和5.5V两种电压。图2为电源模块。

图2 电源模块

1.2.2 JTAG 调试接口

图3为JTAG调试接口的电路图，DEBUG_DD是调试数据线，DEBUG_DC是调试时钟信号线，信号线P1.6/MOSI，P1.7/MISO 连接 CC2530 芯片的串口，P0.0，P0.1 可以用作普通接口线，也可用作ADC的信号线，其中通过仿真器下载程序中需要用到的引脚是电源线、地线、复位线和DEBUG_DD及DEBUG_DC接口。

图3 JTAG调试接口

1.2.3 串口通信模块

串口通信模块为了方便监测网络中数据传输的正常，需要串口来连接计算机，读取节点内部的数据。连接串口到CC2530，必须加max232进行电平转换［10］。串口通信最高波特率高达230kbps。

图4 串行接口电路

1.2.4 ZigBee 无线通信模块

ZigBee网络节点硬件设计的核心模块是处理器模块和无线收发模块，处理器在无线收发模块的协作下保证无线网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及Zig-Bee2007/pro协议栈的正常运行。

数据先存放在数据储存器当中，处理器通过寄存器、中断、串口和SPI等方式控制串口及无线收发模块。处理器单元决定了节点的数据处理能力，路由算法的运行速度以及无线传感器网络形式的复杂程度。

图5 CC2530芯片及其外围电路

2 电路设计中的注意事项

(1)CC2530芯片是比较敏感的芯片，在电路设计过程中要重视电源部分的设计，电源的滤波电路要设计好，是电路设计成功的关键。本设计中为了防止电源信号的不稳定，滤除电源噪声，电源输入端注意滤波电容的选择。

(2)CC2530芯片复位引脚是低电平复位，CC2530有五个复位源。以下事件产生复位:强制RESET_N输入引脚为低;上电复位条件;布朗输出复位条件;看门狗定时器复位条件;时钟丢失复位条件。

(3)32.768kHz的实时时钟可以不使用，不影响网络通信。

(4)天线设计部分，如果不适用PCB天线，则采用外接的50Ω单极天线，要注意微波传送带线，主要完成阻抗匹配［11］。在2.4GHz情况下，它是两段 1/4波长的走线，微波传送带线总长不超过5.8cm。在天线部分区域尽量减少元器件放置，多设置接地，降低干扰。

(5)PCB电路设计中，要注意的是器件的封装、布局的位置有可能对整个电路性能产生很大的影响［11］，尤其是无线通信部分的电容、电阻、电感都推荐使用0402封装的器件，并根据原理图尽量放置在距离CC2530芯片各个引脚比较近的位置上。

3 性能指标

表1 节点性能指标

4 结束语

本文结合系统的实际要求，设计出了无线传感器节点的硬件设计方案。选用CC2530处理器作为系统的微处理器，介绍了ZigBee网络节点芯片选型、结构框架、性能特点和较为详尽的设计过程;给出了外围电路的设计和各元器件参数及PCB设计中的注意事项。选用ZigBee协议作为无线传感器网络的传输协议，实现了一种低功耗的无线传感器网络节点硬件平台，为系统的应用提供了必要的基础。

［1］梦雷.顺应市场需求TI推出ZigBee高性能解决方案［J］.电子设计应用，2009(7):89.

［2］E.S.Nadimi，H.T.Sogaard.Zigbee—Based Wireless Sensor Networks for Monitoring Animal Presence and Pasture time in a Strip of New Grass［J］.COMPUTERS AND ELECTRONICS IN AGRICULTURE 6I，2008:79 －87.

［3］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［4］Peter Kadar.ZigBee Controls the Household Appliances［C］.Barbados Intelligent Engineering System，2009:172－175.

［5］Shizhuang Lin.ZigBee Based Wireless Sensor Networks and Its Applications in Industrial［R］.Proceedings of the IEEE International Conference on Automation and Logistics，2007:1979 －1983.

［6］李俊斌，胡永忠.基于CC2530的ZigBee通信网络的应用设计［J］.电子设计工程，2011(16):108－111.

［7］昂志敏，金海红，范之国，等.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与通信实现［J］.现代电子技术，2007，(10):47 －49.

［8］崔逊学，左从菊.无线传感器网络简明教程［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［9］瞿雷，刘盛德，胡咸斌，等.ZigBee技术及应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［10］高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［11］谷树忠，刘文洲.Altium Designer教程原理图、PCB设计与仿真［M］.北京:电子工业出版社，2010.