基于單片機的Zigbee傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

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)。整個網(wǎng)絡(luò)的形成過程：首先進行初始化，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)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點是由幾個不同的模塊組成，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，這個模塊執(zhí)行著重要的功能，數(shù)據(jù)處理后才能進行通信，還有無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊。傳感器節(jié)點主要的功能是：首先進行數(shù)據(jù)節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，采集后的數(shù)據(jù)再進行處理，經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)再通過節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)進行融合，同時還有其他節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)過來，這樣再對所有節(jié)點的數(shù)據(jù)進行管理和融合，數(shù)據(jù)處理后再進行存儲。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)計不同，但是基本的架構(gòu)是相同的。傳感器節(jié)點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，節(jié)點是構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)的基本平臺。

由于傳統(tǒng)的節(jié)點用來采集數(shù)據(jù)，不僅節(jié)點個數(shù)多，而且工作時間長、效率低等，此次設(shè)計做了些改進。此次采用的硬件設(shè)計綜合不同硬件的特點，處理器是采用AVR單片機ATmega128L處理器，它的特點是性能高、速度快、功耗較低，比普通的8位機相比，實用性高、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。

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。時鐘控制由8MHz的晶振提供，時鐘頻率可以通過軟件進行更改和選擇。其內(nèi)部集成的程序存儲器大小為128KB，還有4KB靜態(tài)RAM，同時帶有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。它的特點是延遲時間短，使得有更多的充足的睡眠時間，保持這個狀態(tài)不僅可以提高效率，節(jié)約了能耗，節(jié)點的使用壽命也比較可觀。CC2420與處理器的連接方便，通過4個管腳表示數(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)位時通過VREG_EN和RESET_N2個引腳實現(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，引腳為RF_P和RF_N。高阻抗匹配需要高阻抗天線，一般要求匹配的負載阻抗為115+j×180。

1.2存儲器部分

此次設(shè)計采用串行接口的Flash存儲芯片AT45DB041，它的存儲空間為4Mbit，可以方便地和串口相接。由于1個網(wǎng)絡(luò)傳感節(jié)點具備路由器和主機2種功能，處理器ATmega128L的片內(nèi)存儲單元不能滿足要求，所以必須進行相應(yīng)的擴展。每個節(jié)點必須有獨立的序列號，此次設(shè)計選擇DS2410Z序列號存儲器。它有64位ROM，內(nèi)含是48位唯一的序列碼、8位CRC校驗碼和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個信號引線和1個地回路串行傳輸。路由功能采用串行接口的Flash存儲芯片AT45DB041，它擁有4Mbit的存儲空間，可方便地連接在ATmega128L的串口上。

1.3其他模塊

設(shè)計采用光敏傳感器，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)實際情況選擇不同的傳感器。節(jié)點設(shè)計處理器處于省電模式，射頻模塊無任務(wù)時處于睡眠模式，以盡量減少節(jié)點的耗電。

1.4設(shè)計要點

為了減少外圍信號的干擾，必須把信號線、地線分開，分成幾個層次，并且是采用獨立的模塊設(shè)計，考慮到設(shè)計的幾點體積更精簡，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)點機的軟件設(shè)計

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)動程序、網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計等。