1? 引言

　　射頻收發器CC2420應用Chipcon公司的SmartRF03技術，采用0.18μmCMOS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-422、RS-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PIC18F4620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RXRAM、1個128字節的TXRAM、1個112字節的安全信息存儲器。TX和RXRAM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TXRAM和RXRAM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2MHz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的內部結構其性能特點如下：免執照頻段：工作頻帶范圍為2.400～2.4835GHz；數據傳輸速率低：2M/s直接擴頻序列基帶調制解調和250Kbits的有效數據速率；低電流消耗和高接收靈敏度：接收19.7mA，發射17.4mA，接收靈敏度為-94dBm；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：QLP-48封裝，7mm×7mm；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收稿日期點；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Internet），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PIC18F4620單片機，帶有所需外部元件的CC2420RF收發器，天線（PCB引線天線或單極天線），3.3V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。

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　　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PIC18F4620型單片機，它具有13路通道的10位模數轉換模塊，2.0～5.5V寬工作電壓，內嵌用于存儲數據的3986字節SRAM和用于存儲程序代碼的64K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，PIC18F4620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。

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　　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2.4GHz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：

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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18.8mA，發送模式（POUT=0dBm）為17.4mA。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3.3V穩壓電源是由兩節五號電池或9V方型鎳氫電池穩壓至3.3V的電源來提供。圖2為CC2420射頻收發器的應用電路。

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圖2 CC2420 應用電路圖

　　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16MHz晶體振蕩器時，其電容值約為22pF。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50Ω，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120mA），同時采用太陽能板為電池充電。

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　　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0Ω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18dBm；在空曠地域，兩相鄰網絡節點可以在500m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。

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