关键词：无线传感器网络，ZigBee技术，CC2430
Liu Yaju, Cai Zhenjiang, Zhang Li, Li Dongming，zhaoqiuxia
Abstract: Wireless sensor network are integration of sensor techniques, nested computation techniques, distributed computation techniques and wireless communication techniques and so on, is an interesting field, and gains more and more attentions. The wide application prospects make it develop rapidly in some field such as military, environment science, smart home and so on. As it running at a remote area where people can‘t or can‘t conveniently reach and might being impossible in substitution of power resources, the wireless sensor network has a key problem on designing a rational network node. The design of ZigBee wireless solution is presented mainly adopting RF chip CC2430 with MCU. The system‘s structure and working principle, and hardware circuits and software designing are given too.
keyword: Wireless sensor network , ZigBee technology , RF CC2430
一、引言
ZigBee[2]是一种基于IEEE802.15.4规范的无线技术。它具有在802.15.4规范上创建的安全和应用层接口、工作于免授权的2.4GHz频段、以年计算的超低电池寿命、极大可伸缩的网络和星型网络拓扑（每个主设备可支持4万多个节点）等诸多优点，在国防军事、工业控制、消费性电子设备等领域有很大的发展空间[3]。
RF CC2430芯片[4]以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌人式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议栈、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线传感器网络等领域，同时也适用于ZigBee之外2. 4GHz频率的其他设备。
二、硬件设计
1、芯片无线收发模块内部结构
CC2430芯片的内部结构如图1所示。天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHz，此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。
图1 CC2430芯片内部结构
发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据TEEE 802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后送到DA变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.4GHz，并经过放大后经发射天线发射出去。
2、系统硬件设计
传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元以及电源管理单元等模块组成[5]。节点硬件结构由图2所示。微处理器ATmega128通过SPI总线和一些离散控制信号与RF收发芯片CC2430进行通信。
图2 传感器网络节点组成框图
CC2430外围电路如图3所示。CC2430内部使用1.8V工作电压，适合于电池供电的设备，外部数字I/O接口使用3.3V电压，这样可以保持和3.3V逻辑器件的兼容型。它在片上集成了一个自流稳压器，能够把3.3V电压转化成1.8V电压。这样对于只有3.3 V电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正常工作。
图3 CC2430芯片外围电路
CC2430射频信号的收发采用差分方式进行传输，其最佳差分负载是 ，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。如果使用单端天线则需要使用平衡/非平衡阻抗转换电路（BALLUN，巴伦电路），以达到最佳收发效果。
CC2430需要有16MHz的参考时钟用于250kbps数据的收发。这个参考时钟可以来自外部时钟源，也可以使用内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从XOSC16-Q1引脚引入，XOSC16-Q2保持悬空;如果使用内部晶体振荡器，晶体接在XOSC16-Q1和XOSC16_Q2引脚之间。CC2430要求时钟源的精度应该在 以内。
三、软件设计
按照硬件电路设计，系统软件编程的基本思路[6]是：先对SPI端口、CC2430控制端口初始化;使能SPI端口、UART端口和ADC;对CC2430芯片初始化;开启接收机后，就可以运行任务程序，实现接收或发送数据。发送和接收程序流程图如图4和图5所示。
图4 发送程序流程图
图5 接收程序流程图
无线通信协议是软件中的一个重要问题，因为它自接关系到节点的性能。因此，在链路层，设计了一个简化的CSMA/CA协议，即任何节点在发送之前必须进行一段随机时间的侦听，在确认目前没有别的节点在进行数据传输时才进行数据发送，收发双方通过三次握手来交换数据。在系统空闲时，关闭侦听功能，以尽可能降低功耗。当然，这种协议存在着隐含节点以及侦听时的功耗损失等问题，但在一定的节点数量范围内还是很有效的。在网络层协议上，采用了简化的IPv6路由协议[7]，之所以采用IPv6，是考虑到IPv6的巨大的地址空间、邻居发现功能、安全性好等优良特性。
四、结束语
Smart RF CC2430是一款符合ZigBee技术的高集成度商业用射频收发器件，其MAC层和PHY层协议符合802.15.4规范，工作于免授权的2. 4GHz频段。利用此芯片开发的无线传感器网络节点成本低、功耗小，适用于电池长期供电。具有硬件加密、安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为无线传感网络的广泛应用提供了理想的解决方案。
参考文献
[1] 陈帅，钟先信，刘积学，等.无线传感器网络的新进展与应用[J].压电与声光，2006，28（3）：297-299
[2] Jon Adams. Designing with 802.15.4 and ZigBee.www.zigbee.org,2004
[3] 原羿，苏鸿根.基于ZigBee技术的无线网络应用研究[J].计算机应用与软件，2004，21（6）：89-91
[4] SmartRF CC2430 Peliminary（rev.1.O1）.2005
[5] HILL J, HORTON M, KLING R, etal. The platforms enabling wireless sensor networks[J].Communications of the ACM, 2004,47（6）:41-46
[6] 李莉. 一种蓝牙无线传感器网络的实现[J].微计算机信息，2006,22（7） ：59-62
[7] 侯惠峰,刘湘雯,于宏毅等.无线传感器网络与IPv6网络的互联方式研究[J].电信科学，2006（6） ：59-62
