基于CC2530的Zigbee網絡節(jié)點設計[圖]

相關專題: 無線 芯片

1  引言

基于zigbee技術的無線傳感器網絡適用于網點多、體積小、數據量小,傳輸可靠、低功耗等場合,在環(huán)境監(jiān)測、無線抄表、智能小區(qū)、工業(yè)控制等領域已取得一席之地[1]。同時,zigbee規(guī)范與協(xié)議日臻完善[2]。從zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro,zigbee協(xié)議規(guī)范的演進對硬件系統(tǒng)提出了更高的要求[3]。

2  設計要求

2.1 zigbee網絡結構

從網絡結構上看,zigbee網絡有星形,樹形,網狀3種模式,按照網絡節(jié)點功能劃分可分為終端節(jié)點(ep)、路由器節(jié)點(rp)和協(xié)調器節(jié)點(cp)3種[2]。其組織結構如圖1示。

基于CC2530的Zigbee網絡節(jié)點設計[圖]

圖1 zigbee網絡拓撲結構

其中,協(xié)調器節(jié)點負責發(fā)起并維護一個無線網絡,識別網絡中的設備加入網絡;路由器節(jié)點支撐網絡鏈路結構,完成數據包的轉發(fā);終端節(jié)點是網絡的感知者和執(zhí)行者,負責數據采集和可執(zhí)行的網絡動作[2]。這就要求zigbee網絡節(jié)點需扮演終端感知者、網絡支持者、網絡協(xié)調者3種角色。

從功能上,zigbee節(jié)點應由微控制器模塊、存儲器、無線收發(fā)模塊、電源模塊和其它外設功能模塊組成。其結構如圖2所示。

基于CC2530的Zigbee網絡節(jié)點設計[圖]

圖2  zigbee網絡節(jié)點模塊圖

其中,包括dma、usart模塊、定時器模塊、a/d模塊在內的豐富的外設功能來滿足網絡對硬件資源的需求,存儲器模塊完成協(xié)議棧的存儲與執(zhí)行,cpu實現(xiàn)數據的運算與處理,mac定時器用于實現(xiàn)網絡同步,使用aes技術對信息進行加密,無線模塊完成收據的收發(fā)與信息幀控制。

2.2 zigbee網絡節(jié)點設計要求

(1)可供選擇的無線頻段。無線頻段的選擇要兼具較高的傳輸速率和較好的繞射性能,同時要具備一定的抗干擾力。2.4ghz頻段是ieee 502.15.4定義的工作在ism頻段的兩個工作頻段之一,有16個速率為250kb/s的信道。

(2)體積小,成本低,易于大規(guī)模布建。zigbee技術較其它無線技術的優(yōu)勢在于自組網,這就需要布建大規(guī)模的網絡節(jié)點,因此成本問題凸顯出來,有資料顯示:10$左右的zigbee網絡節(jié)點有較高的性價比。

(3)可靠性。與有線傳輸介質相比,無線信號傳輸更容易受到衰落、多徑和干擾等問題,zigbee網絡是工作在2.4ghz ism頻段,與其他無線信道之間干擾是不可避免的。為保證網絡在有效范圍內建立可靠的傳輸,網絡節(jié)點應選擇合理的信道接入方式,有效減少幀沖突,使用合理的擴頻技術。

(4)通用性。布建zigbee網絡的最終目的是通過網絡完成各類操作,主要是i/o操作和a/d操作,這就要求網絡節(jié)點有一定的通用性,能滿足各類傳感器和終端設備的操作要求。

(5)低功耗,支持電池供電。低功耗是zigbee的重要特征,支持休眠-喚醒模式和引入功率控制機制使設備更加省電。典型的zigbee節(jié)點在使用普通電池供電的情況下工作12個月以上。

zigbee網絡節(jié)點的設計應按照上述的原則與規(guī)劃進行硬件設計和軟件設計。

3  硬件設計

3.1芯片選型

zigbee網絡節(jié)點硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成zigbee網絡的建立與維護,數據采集與處理,無線數據收發(fā)以及zigbee2007協(xié)議棧的正常運行[3]。在網絡節(jié)點的硬件設計中可以根據成本與操作可行性等因數選擇不同的的設計方案,本設計選擇集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體的單芯片解決方案。

設計選用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256,工作在2.4ghz頻段,是符合ieee 802.15.4規(guī)范的真正片上系統(tǒng)解決方案,也是目前眾多zigbee設備產品中表現(xiàn)最為出眾的微處理器之一。其主要特性如下:

(1)片內集成增強型高速8051內核處理器,支持代碼預;256kflash程序存儲器,支持最新zigbee2007pro協(xié)議;8k數據存儲器;支持硬件調試[3]。

(2)支持2v-3.6v供電區(qū)間,具有3種電源管理模式:喚醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中斷模式0.4ua。包括處理器和智能片內外設在內的模塊,具有超低功耗的特點[3]。

(3)片內集成5通道dma;mac定時器;1個16位、兩個8位普通定時器;32khz睡眠定時器;電源管理與片內溫度傳感器;8通道12位ad轉換器;看門狗等智能外設[3]。高密度集成化電路節(jié)約設計成本。

(4)應用范圍包括2.4g-hz ieee 802.15.4系統(tǒng)、rf4ce遠程控制系統(tǒng)、zigbee網絡、家居自動化、照明系統(tǒng)、工業(yè)測控、低功耗wsn等領域[3]。
cc2530芯片結構如圖3所示。

基于CC2530的Zigbee網絡節(jié)點設計[圖]

圖3 cc2530片內功能模塊圖

   來源:電子系統(tǒng)設計
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