基于單片機(jī)的Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

摘要：無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用廣泛，它通過無數(shù)千個(gè)微小的節(jié)點(diǎn)之間互相通信實(shí)現(xiàn)大范圍監(jiān)控的模式。采用IEEE802.15.4/Zigbee低成本、低功耗的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)間無線通信。首先從節(jié)點(diǎn)機(jī)的硬件設(shè)計(jì)描述硬件各個(gè)部分的模塊設(shè)計(jì)，再分析節(jié)點(diǎn)機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。闡述傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本體系結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹基于單片機(jī)ATMEGA128L和CC2420的Zigbee傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，并對硬件進(jìn)行組網(wǎng)，并對其測試，測試結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)的體積小，集成度高，功耗低，通過多層次布線不僅減少了信號的干擾，而且加大了傳輸?shù)木嚯x。

　　引言

　　ZigBee聯(lián)盟定義了2種物理設(shè)備類型：一種是全功能設(shè)備FFD(fullfunctiondevice);另一種叫精簡功能設(shè)備RFD(reducedfunctiondevice)。網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要有協(xié)調(diào)器參與工作(FFD)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的形成過程：首先進(jìn)行初始化，之后協(xié)調(diào)器開始參與后建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立以后再通過路由器(FFD)和終端設(shè)備(RFD)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，最后在建立起的網(wǎng)絡(luò)開始數(shù)據(jù)管理和傳送。

　　1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　傳感器節(jié)點(diǎn)是由幾個(gè)不同的模塊組成，這些模塊處理著不同的功能，有傳感器模塊，傳感器模塊是傳感的硬件基礎(chǔ)，接著通過處理器模塊，這個(gè)模塊執(zhí)行著重要的功能，數(shù)據(jù)處理后才能進(jìn)行通信，還有無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)主要的功能是：首先進(jìn)行數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)再進(jìn)行處理，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)再通過節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行融合，同時(shí)還有其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過來，這樣再對所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和融合，數(shù)據(jù)處理后再進(jìn)行存儲(chǔ)。所有傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)大致相同，雖然每一種傳感器設(shè)計(jì)不同，但是基本的架構(gòu)是相同的。傳感器節(jié)點(diǎn)的這種功能等同于兼并傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的路由功能，作為網(wǎng)絡(luò)終端傳送和接收數(shù)據(jù)，是構(gòu)成5項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，網(wǎng)線網(wǎng)絡(luò)的基本元素是傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)是構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本平臺(tái)。

　　由于傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)用來采集數(shù)據(jù)，不僅節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)多，而且工作時(shí)間長、效率低等，此次設(shè)計(jì)做了些改進(jìn)。此次采用的硬件設(shè)計(jì)綜合不同硬件的特點(diǎn)，處理器是采用AVR單片機(jī)ATmega128L處理器，它的特點(diǎn)是性能高、速度快、功耗較低，比普通的8位機(jī)相比，實(shí)用性高、硬件資源豐富。具有高性能、高速度、低功耗和硬件資源豐富的特點(diǎn)。

　　CPU主要具有幾種省電模式：IDLE、POWERSAVE、POWERDOWM、STANDYBY。在不同的省電模式下可以高效率工作。時(shí)鐘控制由8MHz的晶振提供，時(shí)鐘頻率可以通過軟件進(jìn)行更改和選擇。其內(nèi)部集成的程序存儲(chǔ)器大小為128KB,還有4KB靜態(tài)RAM,同時(shí)帶有4KB的E2PROM。

　　1.1通信模塊

　　CC2420是Chipcon公司開發(fā)的一款低功耗通信芯片。它的特點(diǎn)是延遲時(shí)間短，使得有更多的充足的睡眠時(shí)間，保持這個(gè)狀態(tài)不僅可以提高效率，節(jié)約了能耗，節(jié)點(diǎn)的使用壽命也比較可觀。CC2420與處理器的連接方便，通過4個(gè)管腳表示數(shù)據(jù)的狀態(tài)，分別為它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA。接口是采用SPI接口，它與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令，復(fù)位時(shí)通過VREG_EN和RESET_N2個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)使能和復(fù)位，產(chǎn)生和CC2420匹配的工作電壓，一般大小為1.8V,保證處理器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。由于和天線相接的引腳具有高阻抗特點(diǎn)，引腳為RF_P和RF_N。高阻抗匹配需要高阻抗天線，一般要求匹配的負(fù)載阻抗為115+j×180。

　　1.2存儲(chǔ)器部分

　　此次設(shè)計(jì)采用串行接口的Flash存儲(chǔ)芯片AT45DB041,它的存儲(chǔ)空間為4Mbit,可以方便地和串口相接。由于1個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點(diǎn)具備路由器和主機(jī)2種功能，處理器ATmega128L的片內(nèi)存儲(chǔ)單元不能滿足要求，所以必須進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展。每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須有獨(dú)立的序列號，此次設(shè)計(jì)選擇DS2410Z序列號存儲(chǔ)器。它有64位ROM,內(nèi)含是48位唯一的序列碼、8位CRC校驗(yàn)碼和8位家族碼。數(shù)據(jù)采用1-Wire協(xié)議，無需外部供電，僅通過1個(gè)信號引線和1個(gè)地回路串行傳輸。路由功能采用串行接口的Flash存儲(chǔ)芯片AT45DB041,它擁有4Mbit的存儲(chǔ)空間，可方便地連接在ATmega128L的串口上。

　　1.3其他模塊

　　設(shè)計(jì)采用光敏傳感器，電源模塊由2節(jié)1.5V干電池供電。傳感器模塊的選擇相對比較靈活，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的傳感器。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)處理器處于省電模式，射頻模塊無任務(wù)時(shí)處于睡眠模式，以盡量減少節(jié)點(diǎn)的耗電。

　　1.4設(shè)計(jì)要點(diǎn)

　　為了減少外圍信號的干擾，必須把信號線、地線分開，分成幾個(gè)層次，并且是采用獨(dú)立的模塊設(shè)計(jì)，考慮到設(shè)計(jì)的幾點(diǎn)體積更精簡，更需要減小信號的干擾，可以用多層板，在高電頻的工作狀態(tài)，在該層沒有用做布線的面積均需用銅填充并接到地。

　　2 節(jié)點(diǎn)機(jī)的軟件設(shè)計(jì)

　　本文采用的開發(fā)軟件是WinAVR20050214版本的集成開發(fā)環(huán)境和AVRStudio4下載程序。軟件模塊主要包括：CC2420驅(qū)動(dòng)程序、網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)等。

　　2.1協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計(jì)

　　協(xié)調(diào)器的軟件流程圖如圖1所示。系統(tǒng)剛開始初始化，硬件協(xié)議初始化后開始建立網(wǎng)絡(luò)，判斷節(jié)點(diǎn)是否接入網(wǎng)絡(luò)，接入網(wǎng)絡(luò)成功后運(yùn)行協(xié)議任務(wù)，接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并發(fā)送到PC上。

　　建立過程中若超過次數(shù)則接收失敗，繼續(xù)下一次接收。

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　　圖1 協(xié)調(diào)器的軟件流程