1 引言

　　射頻收發器CC2420應用Chipcon公司的Sman RF 03技術，采用0．18μm CMOS工藝，只需極少的外部元件，性能穩定且功耗極低，同時集成所有ZigBee技術優點，可快速應用到建筑自動化網絡、住宅安防系統、工業控制網絡、遠程抄表以及PC外設等ZigBee產品中，也可以替代現有的控制網絡技術(例如RS一422、RS一485)和有線監視方案。

　　由于無線傳感器網絡在通信上消耗較大能量，選用功耗較小的PICl8F4620單片機為處理器，以及選用CC2420為通信器件，設計無線網絡節點，因此，這里提出一種基于CC2420的ZigBee無線網絡節點的設計方案。

　　2 CC2420簡介

　　CC2420有33個16位配置寄存器、15個命令選通寄存器、1個128字節的RX RAM、1個128字節的TX RAM、1個112字節的安全信息存儲器。TX和RX RAM的存取可通過地址或者用2個8位的寄存器實現，而采用后者訪問內存與訪問FIFO緩沖區一樣，不能讀取／寫入任何數據到安全信息RAM，也不能把 TX RAM和RX RAM作為內存訪問，只能以FIFOS的方式訪問，而對寄存器的操作則可通過SPI接口以從屬方式使用。

　　CC2420內置一個低中頻接收器，負責處理天線接收到的RF信號，經低噪聲放大器(LNA)放大，并通過I／Q正交平衡電路降頻轉換為2 MHz的中頻信號。該信號再經濾波、放大、A／D轉換、自動增益控制、信道過濾、解擴頻、符號相關和字節同步等恢復出正確的數據。當發送數據時，應先把要發送的數據放入容量為128字節的發送緩沖區。報頭和起始幀由硬件自動生成。CC2420的內部結構參見參考文獻。其性能特點如下：免執照頻段：工作頻帶范圍為2．400~2．483 5GHz；數據傳輸速率低：2M／s直接擴頻序列基帶調制解調和250 Kbits的有效數據速率；低電流消耗和高接收靈敏度：接收19．7 mA，發射17．4 mA，接收靈敏度為一94 dBm；高可靠性：采用了CSMA／CA技術避免發送數據的競爭和沖突，MAC層采用完全確認的數據傳輸模式，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息；安全性高：基于CRC(循環冗余校驗)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用高級加密標準(AES2128)的對稱密碼，保證數據安全傳輸；小尺寸封裝：OLP一48封裝，7 mm×7 mm；接口配置簡單：與微處理器的接口配置簡易(4總線SPI接口)。

　　3 ZigBee無線網絡節點硬件設計

　　根據ZigBee傳感器網絡節點管理機制，把節點分成傳感器節點、簇頭節點和匯聚節點3種類型。當節點作為傳感器節點時，主要是通過傳感器采集周圍環境的數據(溫度、位移、光感度和濕度等)，然后進行A/D轉換，由處理器處理，最后由射頻模塊發送到相鄰節點，同時該節點也要執行數據轉發功能，即把相鄰節點發送的數據發送到匯聚節點或離匯聚節點更近的節點；當節點作為簇頭節點時，主要是收集該簇內所有節點所采集到的信息，經數據融合后，發往匯聚節點；當節點作為匯聚節點時，其主要功能就是連接傳感器網絡與外部網絡(如Intelllet)，將傳感器節點采集到的數據通過互聯網或衛星發送給用戶。雖然節點的功能有所不同，但硬件電路基本一致。

　　設計選用PIC18系列的單片機+CC2420解決方案，因此要創建ZigBee傳感器節點必須具備以下組件：傳感器設備，帶SPI接口的 PICl8F4620單片機，帶有所需外部元件的CC2420 RF收發器，天線(PCB引線天線或單極天線)，3．3 V穩壓電源。整個硬件系統劃分為數據采集、數據處理、射頻和供電4個模塊．如圖1所示。

　　3．1 數據采集模塊

　　數據采集模塊是應用傳感器件監測外部環境，比如溫度、濕度、液位、位移、轉速等模擬參數，然后通過A/D轉換送給單片機進行處理。

　　3．2 數據處理模塊

　　處理器是整個節點的中心，其他模塊都要通過處理器控制，因此處理器性能的好壞決定整個節點的性能。處理器采用PICl8F4620型單片機，它具有13路通道的10位模數轉換模塊，2．0～5．5 V寬工作電壓，內嵌用于存儲數據的3 986字節SRAM和用于存儲程序代碼的64 K字節Flash，JTAG程序下載和在線調試接口，支持4線SPI和I2C主從模式等特點。

　　3．3 射頻模塊

　　在無線傳感器網絡中，最關鍵的技術是實現節點間的通信。隨著集成電路的發展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節點的能量主要是消耗在通信上。所以，選擇一款低能耗的通信器件將節省節點能量，延長壽命。在ZigBee無線傳感器網絡應用中，射頻收發器CC2420工作在從機模式，PICl8F4620工作在主機模式，通過SPI接口配置CC2420寄存器參數和讀寫緩沖器內的數據，詳細的引腳連接如表1所示。 




　　CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶體振蕩器等非常少的外圍電路就能在2．4 GHz頻段工作。同時，CC2420提供一個4線SPI接口(SI、SO、SCLK、CSn)與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據工作，并實現讀，寫緩存數據、讀／寫狀態寄存器等。片選信號CSn低電平有效。該接口使用步驟為：①驅動CSn為低電平，告知CC2420開始新的SPI通信周期。 ②CC2420選中后，開始驅動SCLK時鐘信號。SCLK無需用固定頻率驅動并有一個可變的服務周期。在SCLK信號上升沿，CC2420采樣SI、 SO上的數據；在SCLK信號下降沿，如果SO為輸出模式。CC2420將改變SO上的數據。③當這一周期完成時，停止SCLK的驅動并將CS_信號變為高電平。

　　3．4 供電模塊

　　偏遠地區的工業設施、軍事裝備的監控系統具有無人值守、低數據量和點多面廣等特點，該監控系統應用ZigBee無線傳感器網絡傳輸數據，采用電池供電，因此，網絡節點的功耗為系統設計的關鍵。CC2420采用低電壓供電 (2．1～3．6V)，并具有休眠模式，且從休眠模式激活的時延短，因此，功耗大大減小。CC2420各狀態下的電流消耗典型值為：穩壓器關閉為 0．02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18．8 mA，發送模式(POUT=0 dBm)為17．4 mA。另外，PIC18F4620也是一款低電壓供電的器件(2．0～5．5V)，并具有運行、空閑、休眠3種功耗管理模式，合理利用這些功耗管理模式可獲得理想的節能效果。該系統設計的3.3 V穩壓電源是由兩節五號電池或9 V方型鎳氫電池穩壓至3．3 V的電源來提供。圖2為CC2420射頻收發器的應用電路。

　　其外圍電路包括晶振時鐘電路、射頻輸入／輸出匹配電路和微控制器接口電路3部分。CC2420的本振信號既可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時需外接晶體振蕩器和2只負載電容，其電容容量取決于晶體頻率及輸入容抗等參數。例如采用16 MHz晶體振蕩器時，其電容值約為22 pF。射頻輸入／輸出匹配電路主要用于匹配器件的輸入輸出阻抗，使其輸入輸出阻抗為50 Ω，同時為CC2420器件內部的PA及LNA提供直流偏置。如果兩節點相距較遠，而且不易安裝中間節點中繼，可采用增加功放電路提高輸出功率的方法實現較遠距離的傳輸。圖3為功放電路圖。74LVC2G04是雙非門緩存器用于控制UPG2214TK單刀雙擲開關，選通發送或接收電路，而UP2202是一款高增益2．4Hz功放器件，用于提高射頻電路的輸出功率。這種帶功放的節點一般應用于簇頭節點或匯聚節點，以及溝壑地帶等不易連接且相距較遠的節點間數據傳輸。當然，這種節點消耗較大，大大降低電池壽命，因此在人煙稀少或不易到達的地點，需采用可充電的電池供電(輸出電流達到120 mA)，同時采用太陽能板為電池充電。





　　4 結語

　　CC2420RF收發器適用于大量分布節點的傳感器網絡。電路設計中重點考慮的是線路抗干擾問題，電路板設計成4層板，未布線的區域用敷銅并接地，CC2420底部通過多個過孔與地層連接，濾波電容盡量靠近器件放置，數字地和模擬地采用0 Ω電阻或磁珠隔離。另外，節點安裝位應盡量避開樹木，以減少對該電磁波的吸收，影響傳輸穩定性。

　　經過測試，增加功放電路后射頻輸出功率可達18 dBm：在空曠地域，兩相鄰網絡節點可以在500 m范圍內可靠傳輸數據。需要注意的是，普通節點一般不要外加功放，采用休眠機制，以延長電池使用壽命。