毕业设计CC2420的ZIGBEE传感器设计Word文档格式.docx

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E

传感器

网络技术研究

邓平

信息工程学院

摘要

本论文的主要内容是制作基于CC2420的ZIGBEE传感器网络硬件节点，并实现节点间的通信。

本文中通信模块选择的射频芯片是CC2420，它是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE802.15.4和ZIGBEE标准的收发芯片，只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通信系统；

微处理器是ATMEL公司生产的RISC结构的8位单片机ATmega128L。

文中详细介绍了这两个主要芯片的选型、性能和特点，并对关键部分的硬件接口作了详细阐述。

在设计过程中，我们充分考虑到硬件节点功耗低、成本低、体积小等要求，在选择芯片所需的外围电路元件时，为减小节点体积，这些元件的外部封装都选用体积小，易实现的。

利用Protel2004电路板设计软件，首先绘制电路原理图，完成原理图后生成网络表，然后进行实际布线，生成印制电路板。

在设计PCB过程中，充分考虑了高频电路的设计原则，使用了四层布线结构和大面积铺地来抑制高频模拟信号的噪声。

硬件节点设计完成后，进行无线传感器网络协议结构和相关网络体系结构理论研究,把握基于CC2420的ZIGBEE传感器网络的工作环境和实现的要求，使网络更安全地、可靠地运行；

网络硬件搭配完毕后，嵌入程序和初始化网络的各个模块，组建成一个完整的无线传感器网络操作系统，经调试，硬件节点可以接收光敏传感器电路中的光源信号，同时将采集到的数据发送到终端节点，实现两个硬件节点间的通信。

通用串行接口能与RS-232标准串行接口连接，实现与计算机的通信；

在PC机上显示采集数据。

关键词：

无线传感器网络，ATmega128L，ZIGBEE，CC2420

Abstract

ThispaperisfocusedontheimplementationofwirelesssensornetworknodeBasedonCC2420andchievingthecommunicationcapabilityinthenodes.WechoosetheCC2420,aIEEE802.15.4compliantchipprovidedbyChipconcorpor-ationsRFtransceiver,anditneedaMCUandfewexternalcomponentstoconstituteawirelesscommunicationsystem.MicrocontrollerisRISCstructurebased8bitcontrollerATmega128LfromATMELcorporation.Wealsogaveadetailed

descriptionofkeyhardwareinterfaceinthepaper.

Takingtherequestoflowcost,lowpower,smallsizeintoconsideration,wechosethelowpower、smallsizeandEasytoachievelypackagedexternalcomponents.Thenwechartedcircuitdiagram,creatednetlistandlayoutedtheprintedcircuitboard（PCB）inthecomputeraideddesignsoftware:

Protel2004.WhilelayoutingthePCB,wegavefullconsiderationtohighfrequencycircuitdesignrulesandutilizedfourlayersstructureandlarge-areagroundplanetorestrainRFnoise.Theextendedinterfaceisalsodesignedformoresensors.

Nodehardwaredesigniscompleted,awirelesssensornetworkprotocolstructureandrelatednetworkarchitecturebasedontheCC2420graspthetheoreticalstudyofZIGBEEsensornetworksworkingenvironmentandachievingtherequirementsofthenetwork,makeitmoresecure,reliableoperation;

networkinghardwareafterthematch,Embeddednetworkinitializationprocedureandthevariousmodules,formedintoacompletewirelesssensornetworkoperatingsystem,Afteralotofdebuggingwork,thenodescancommunicatebetweeneverytwoofthemandcanshowtheinformationoftransmission,reception,acknowledgmentetc.AndnodecansensetoRS-232lightintensity,andsendittocenternode.Whentheuniversalserialportisconnected

interface,thenodecancommunicatewithpersonalcomputerthenwecanmonitorthe

lightintensityinformationonsoftwareplatform.

Keywords:

Thewirelesssensornetwork,ATmega128L,ZIGBEE,CC2420

1绪论

1.1论文研究的背景

随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20世纪

90年代末在美国发现了具有现代意义的无线传感器网络技术。

其后，该技术相继被一些重要机构预测为将改变世界的重要新技术之一，同时相关研究工作也在世界各个主要发达国家轰轰烈烈的开展起来，并在各个应用领域实现了突破，已被认为是对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，与塑料电子学和仿生人体器官被称为全球未来的三大高科技产业，也是我国重点开展的研究领域之一。

1.2论文研究的意义

无线传感器网络可以实现大面积的信息采集、分布式处理、网络总体信息的融合和数据的远程传输等功能，从而实现人类不方便去的地方进行环境监测。

传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛用于军事、环境监测和预报、智能家居、火星探测、城市交通和建筑物状态监控、生物医疗、大型工业的安全监测等领域。

它的研究对人类生活和生存来说具有广泛和深远的意义。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外无线传感器网络研究现状

目前比较系统地利用无线传感器网络的实例是2002年Intel实验室和大西洋

学院联合进行的大鸭岛环境监测项目。

大鸭岛是一个对外来监控设备十分敏感的

生态环境。

Intel实验室和大西洋学院在大鸭岛上部署了研究组在大鸭岛上部署了由43个传感器接点组成的传感器网络。

传感器节点用了Berkeley的Mote节点，节点上运行的软件是Berkeley开发的TinyOS。

节点上装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。

传感器网络进行了9个月左右的监控，得到了大量第一手数据。

实验表明传感器网络在这样的应用环境中有非常明显的优势。

生态环境监测是无线传感器网络在应用上的一个方面，也是一个跨学科的课题。

传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态监测提供一个全新的手段。

这也表明传感器网络在应用方面有着重大突破，研究进入高热化阶段。

1.3.2国内无线传感器网络研究现状

我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首

次正式出现于1999年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究》的“信息

与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五个重大项目之一，当时的项目

名称：

重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统。

2001年中国科学院

依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部

署了若干重大研究项目，初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传

感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和应用系统等方面取得

很大进展。

未来，无线传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式，实现微型、安全、多功能、低功耗、集成化的高效无线传感器网络。

1.4论文的内容和结构

本文针对基于CC2420的ZIGBEE无线传感器网络这一国内外研究热点，在检索阅读了大量国内外网站、期刊文献和分析系统功能需求的基础上给出了嵌入式无线传感器网络硬件节点的总体设计方案。

采用嵌入式系统软、硬件协同开发技术，基于ARM处理器实现了一种无线传感器网络节点的硬件设计，为特定应用无线传感器网络的开发构建了一个平台。

本文第一章简单介绍无线传感器技术研究的背景、意义及国内外研究现状；

第二章介绍射频芯片CC2420及各个引脚功能，并阐述及相关电路原理图；

第三章按照功能模块对节点的硬件设计进行了详细的阐述，其中包括：

主控模块的设计，射频模块的设计，检测电路模块和外部存储器模块的设计等；

第四章简单描述IEEE802.15.4/ZIGBEE和无线无线传感器网络体系结构；

第五章简单介绍利用基于CC2420ZIGBEE传感器网络采集数据流程；

第六章是这次毕业设计的总结。

2CC2420芯片

2.1本论文对通信模块的要求

传感器网络的链路层跟其他网络一样，需要提供流量控制、传输可靠的点到点的通信服务。

但也与其他网络网络不同，它本身对数据传输速率要求不高，而对长期稳定工作要求很高，而且节点在大部分的时间内处于休眠状态中，所以要求链路层能够解决通信同步问题，即通信双方要在同时唤醒，而且各个传感器网络节点在通信上是对等的，也就是说没有优先级可言，所以要保持所有节点的同步，而不是通信双方的简单的同步。

传感器网络是一个低功效、低成本、速率要求不高的一个网络，而802.15.4协议，即ZIGBEE协议，定义250kbps的低复杂度、超低功耗和超低成本的无线数据通信的物理层和MAC层，同时支持无线安全通信。

ZIGBEE技术标准在设计过程中充分考虑到了传感器网络的应用要求，在功耗、同步技术及安全问题也都做了充分的考虑。

另外除了2.4GHz的载波频段，ZIGBEE还定义了700MHz和866MHz两个频段，同时支持多种数据通信速率，ZIGBEE很可能成为传感器网络使用的无线通信标准协议之一。

正是随着ZIGBEE协议的发布和日渐成熟，世界各大无线芯片产商陆续推出支持IEEE802.15.4的无线收发芯片，其中Freescale公司推出的MC13192，Chipcon公司推出的CC2420是比较典型的产品。

在本次毕业设计中用的是CC2420这块芯片，下面将详细介绍这块芯片。

2.2无线通信芯片CC2420

CC2420是Chipcon公司在2003年推出的首款符合2.4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发芯片。

该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。

它基于Chipcon公司的SmartRF03技术，以0.18umCMOS工艺制成，性能稳定且功耗极低，具有很高的集成度。

CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。

利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。

CC2420是为低功率、低电压无线应用而设计的单片RF收发芯片。

CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在频率为2.4GHz的频段上工作，是在免授权的ISM（工业、科研和医疗）频带上进行无线通信的低成本、高集中的解决方案。

CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持，数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料，这些特点减少主控制器的工作量，使CC2420能方便地与低成本微处理器相接。

并且还提供一个SPI接口与处理器连接，通过这个接口，处理器能很方便地对CC2420配置和收发数据这两方面的工作。

2.2.1芯片主要性能特点

CC2420的主要性能参数如下：

·

工作频带范围：

2.400～2.4835GHz；

数据速率达250kbps，码片速率达2MChips/s；

采用直接序列扩频方式DSSS；

采用O-QPSK与半正弦脉冲整形调制方式；

超低电流消耗（RX：

19.7mA，TX：

17.4mA），高接收灵敏度（-94dBm）；

内部使用1.8工作电压变压器，内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，可以直接采用低电压供电（2.1～3.6V）；

输出功率编程可控；

IEEE802.15.4MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bitCRC校验电源检测、完全自动MAC层安全保护（CTR，CBC-MAC，CCM）；

802.15.4Mac硬件安全：

自动安全操作与接收和发送FIFOs；

CTR加密、解密模式；

CBC-MAC的加密/解密和验证；

采用独立的AES加密算法；

与控制微处理器的接口配置容易（4总线SPI接口）；

开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件；

采用QLP-48封装，外形尺寸只有7×

7mm。

2.2.2芯片内部结构

图2.2.2CC2420芯片内部结构

图2.2.2是CC2420芯片内部结构，CC2420是低中频的收发器。

天线接收的射频信号经过低噪声放大器LNA和正交下变频处理后，形成中频信号为2MHz的同相分量和正交分量，然后信号经过滤波、放大A/D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。

发射机部分基于接上变频。

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生的。

根IEEE802.15.4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到D/A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2.4GHz，并经放大后送到天线发射出去；

CC2420是低中频接收器，接收到的射频信号被低噪声放大器放大后，下变频为中频，在中频的I/Q信号被滤波和放大后，被模数转换器A/D数字化，最后储存在接收存贮器中（RXFIFO，共128Bytes）。

2.2.3应用电路

CC2420只需要极少的外围元器件，其应用电路如图2.2.3所示。

它的外围电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。

图2.2.3.1CC2420的应用电路

①输入输出匹配

射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入、输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50?

，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。

CC2420射频信号的收发采用的是差分方式传送，射频端最适合的负载是115+j180?

。

当使用如单极天线等不平衡天线时，为优化性能必须使用不平衡变压器，不平衡变压器可以用便宜的分立的电阻和电感组成。

图中C10、C11、C12、C13、L2组成不平衡变压器，L1和L3匹配射频输入/输出阻抗50?

，L1、L2同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。

②偏置电阻

R10偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻，阻值为43k？

③晶振时钟电路

CC2420需要16MHz的参考时钟用于数据的收发，可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生，精确度应该达到±

40×

10－8。

如果使用外部时钟，直接从XOSC16_Q1引脚输入，XOSC16_Q2脚悬空；

如果使用内部晶体振荡器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引脚之间。

晶振起振需对CC2420选通命令寄存器SXOSCON使能。

④微控制器接口

图2.2.3.2CC2420与ATmega128接口

CC2420与处理器连接非常简单，如图2.2.3.2，可以通过4线SPI接口（SI、SO、SCLK、CSN）设置芯片的工作模式，处理器就是通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器，SPI接口接收和发送时都与时钟下降沿对齐，并实现读/写存数据，读/写状态寄存器等；

通过使用FIFO、FIFOP、SFD、和CCA管脚的状态表示收发数据的状态。

通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，它只有在信道有信号时输出高电平，在接收状态下有效，在CC2420进入接收状态至少8个符号周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。

通过SFD管脚状态的设置可以制时钟/定时信息的输入，CC2420收到SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完为止，如果启用了地址辨识，如果地址辨认失败，SFD引脚会立即输出低电平。

它和CCA引脚与微处理器的相应管脚相连以实现系统射频功能的控制与管理。

FIFO和FIFOP引脚标识接收FIFO缓存区的状态。

如果接收FIFO缓存区有数据，则FIFO引脚为高，相反则低；

FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某一个临界值时或CC2420收到一个完整的帧时输出高电平，临界值可通过CC2420的寄存器设置。

CC2420有两个用于访问FIFO缓存区的寄存器：

一个是TXFIFO寄存器，通过写TXTFIFO寄存器，把需要发送的数据按字节依次写入发送缓存区，然后通过写寄存器STXON或STXONCCA的命令，等待时机从无线信道发送数据；

一个是RXFIFO寄存器，用于访问接收FIFO缓存器，当CC2420接收到数据时，数据存入FIFO缓存器，并改变FIFO和FIFOP的状态，处理器通过RXFIFO寄存器读出接收到的数据。

3电路硬件实现

3.1硬件电路要求及印制电路板

3.1.1硬件电路要求

无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。

由传感器子板、微处理器模块、数据存储电路、无线通信模块、能量供应模块等组成。

相对于传统无线网络节点，无线传感器网络节点具有明显的技术特点：

（1）网络节点密度高，数量大；

（2）节点的计算和存储能力有限；

（3）节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，节点能量有限；

（4）通信能力有限，传感器网络的通信带宽较窄，节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米，因此在有限的通信能力下如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题；

（5）各传感器节点位置随机分布，具有自组织特性。

因此各个模块要求如下：

1、处理器模块

处理器模块是无线传感器网络的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和数据转储程序等都将在这个模块的支持下完成，所以处理器的选择在整个网络的节点设计上是至关关重要的，其要求如下：

（1）外形要小，

（2）集成度要高,（3）功耗低而且支持睡眠模式,（4）运行的速度要快，（6）要有足够的外部通用IO端口和通信接口，（6）成本要低，（7）有安全性保证。

2、通信模块

由于在传感器网络中，数据速录要求不高，但要长期工作，功耗要低，而且能简单实现，而ZIGBEE协议正符合这一要求，在这次论文中选了CC2420芯片。

3、传感器模块

传感器在市场上各种各样，有温湿度传感器、光照传感器、声音传感器、加速度传感器等等，传感器本身工艺水平和成本制约了传感器网络的应用，应根据需要尽量选择体积小，并且价格便宜，灵敏度高的芯片。

4、数据存储电路模块

对于低速率通信、低功耗运行、低频率使用的传感器节点来说，许多传输数据，包括自身采集的数据、从领结点获取的转发的数据以及在一段时间内需要保存的各种信息，都需要一个安全可靠的存储地方，所以会在外面留有外部存储器。

为了避免外面复杂环境的影响，而失去重要的信息，所以应选择非易失存储器。

3.1.2DXP2004及印制电路板

在电路图和印制电路板的设计中，我们使用的Protl2004软件是一种功能强大，目前国内外应用十分广泛的EDA设计软件。

Protel软件包是20世纪90年代初由澳大利亚PROTELTECHNOLOGY公司研制开发的专用于电子行业类CAD设计的商业应用软件，它在我国电子行业中知名度很高。

最近推出Protel2004是应用于Windows95/98/NT4/2000下的EDA设计软件，它采用设计库管理模式，可以进行联网设计。

其功能强大，包括电子电路原理图（SCH）设计、电子电路原理图（SCH）仿真、印制电路板（PCB）设计、电子电路实现前后的信号完整性分析和可编程逻辑器件（FPGA）设计等。

电路板设计首先从原理图开始，整个设计过程是在原理图的指导下完成的，设计要保证两点：

正确性和完整性。

正确性：

从电路板布线角度（假设原理设计正确），正确性主要是指“画”的正确，即符合规范地产生电路原理图。

完整性是指原理图必须包含能指导布线过程顺利完成的全部信息。

布线图设计要点：

完成原理图并生成网络表，接下来进入实际布线过程；

生成一个PCB图，调用原理图生成的网络表，布线软件会把对应元件的封装调入；

如果出现找不到的封装，需要自己在元件库里查找；

保证把所有元件的封装调入，进入元件布局，最后布线。

在电路图的设计过程中，由于数字器件正朝着高速、低耗、小体积、高抗干扰性的方向发展，这一发展趋势对印刷电路板的设计提出了很多新要求。

电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段；

电路布线的引线最好采用全直线，少折线，需要转折，可用45度折线或圆弧转折；

高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好；

高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的“交叉干扰”，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰；

对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施，我们在电路板的设计中也充分考虑了这几个方面问题。

3.2基于CC2420的ZIGBEE传感器网络的各个电路原理图及分析

3.2.1处理器接口电路

微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。

ATmega128L具有如下特点：

（1）片内有128K字节的系统内可编程Flash，能够编程10000次，远