1、1 引言基于 zigbee 技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地1。同时，zigbee 规范与协议日臻完善 2。从 zigbee1.0、zigbee1.1 到目前最新的zigbee2007/pro， zigbee 协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求。2 设计要求2.1 zigbee 网络结构从网络结构上看，zigbee 网络有星形，树形，网状 3 种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点(ep) 、路由器节点(rp) 和协调器节点(cp)3 种2 。其组织结构如图 1 示。其中，协调器节
2、点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络；路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发；终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作2。这就要求 zigbee 网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者 3 种角色。从功能上，zigbee 节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。其结构如图 2 所示。其中，包括 dma、usart 模块、定时器模块、a/d 模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，cpu 实现数据的运算与处理，mac 定时器用于实现网络同步，使用 aes 技术
3、对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。2.2 zigbee 网络节点设计要求(1)可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4ghz 频段是 ieee 502.15.4 定义的工作在 ism 频段的两个工作频段之一，有 16 个速率为 250kb/s 的信道。(2)体积小，成本低，易于大规模布建。zigbee 技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的zigbee 网络节点有较高的性价比。(3)可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多
4、径和干扰等问题，zigbee 网络是工作在 2.4ghz ism 频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。(4)通用性。布建 zigbee 网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是 i/o 操作和 a/d操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。(5)低功耗，支持电池供电。低功耗是 zigbee 的重要特征，支持休眠-唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的 zigbee 节点在使用普通电池供电的情况下工作 12 个月以上。zigbee 网
5、络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。3 硬件设计3.1 芯片选型zigbee 网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成 zigbee 网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及 zigbee2007 协议栈的正常运行3 。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，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。设计选用 ti 公司最新 zigbee 芯片 cc2530f256，工作在 2.4ghz 频段，是符合 ieee 802.15.4 规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多
6、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)片内集成增强型高速 8051 内核处理器，支持代码预取； 256kflash 程序存储器，支 持最新 zigbee2007pro 协议； 8k 数据存储器；支持硬件调试3。(2)支持 2v-3.6v 供电区间，具有 3 种电源管理模式：唤醒模式 0.2ma、睡眠模式 1ua、中断模式 0.4ua。包括处理器和智能片内外设在内的模块，具有超低功耗的特点3。(3)片内集成 5 通道 dma；mac 定时器；1 个 16 位、两个 8 位普通定时器；32khz 睡眠定时器；电源管理与片内温度传感器；8 通道 12 位 ad 转
7、换器；看门狗等智能外设3。高密度集成化电路节约设计成本。(4)应用范围包括 2.4g-hz ieee 802.15.4 系统、rf4ce 远程控制系统、zigbee 网络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗 wsn 等领域3。cc2530 芯片结构如图 3 所示。3.2 硬件整体设计在网络节点硬件平台中， cc2530 需要实现的功能以及外围模块主要有 3 个部分：通过 a/d 口控制传感器模块进行数据采集；控制无线 rf 模块完成数据收发；通过 i/o 口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过 i/o 口与微处理器相连，通过 rs232 接口可实现网络节点与 pc 机的通信3。外围硬件电
8、路原理图如图4 所示。由于 cc2530 芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用 32mhz 无源晶振以及 32.768khz 时钟晶振；无线 rf 模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用 50 欧鞭状负极性天线，具体的元器件封装信息参见附表所示。为了更好提高芯片内部电压精度，输入电压应采用调制后的 3.3v 稳压电源，接内部参考电压的外围电阻 r301 精度要在 0.5%以上，且选用质量较好的电感、电容等器件。为了指示网络节点的运行状态，在硬件设计中加入两个状态指示灯，使用 220 欧的限流电阻，分别接在微处理器芯片的 p10、p11
9、口，用于指示设备入网、退网等状态，方便开发人员观察，指示灯为可选电路，可根据需求选择使用。3.3 pcb 设计cc2530 的 zigbee 网络节点 pcb 设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观；在数字信号线走线上做到自然、平滑；高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性；节点接口分布采用 ti 标准接口形式，结构稳固可靠。由于 cc2530 集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的外围辅助电路3 ，因此 pcb 的设计要完全适合无线传感器网络应用。本设计中 zigbee 网络节点 pcb 图和实物如图 5 所示。pcb 板的尺寸为长宽高 25mm41mm1.6mm，接口为112 双排插针，间距 2.54mm。接口管脚定义为 ti 的标准接口3.4 硬件测试经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离 120 米；最大输出功率10dbm；接收灵敏度-97dbm；功耗方面：接收模式 24ma，发送模式 29ma，低功耗模式 0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8 路模拟量输入接口，4 路数字量输入输出接口，2 路数字量输出接口和 1 个 rs232 接口。
