CC的传感器设计方案

1、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 IEEE 802.15.4 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 ATmega 128L。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

2、件的外部封装都 选用体积小，易实现的。利用 Protel 2004 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

3、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，CC2420AbstractThis paper is focused on the impleme ntati on of wireless sen sor n etwork nodeBased on CC2420a nd chiev in gthe com muni cati on capability in the no des.Wechoose the CC24

4、20,a IEEE 802.15.4complia nt chip provided by Chipc on corpor-atio ns RF tran sceiver,a nd it n eed a MCU and fewexternal comp onents to con stitute awireless com muni cati on system. Microc on troller is RISCstructure based 8 bit controller ATmega128L from ATMEL corporatio n. We also gave a detaile

5、d descripti on ofkey hardware in terface in the paper.Taking the request of low cost,low power,small size in to con siderati on,we chose thelowpower、 small size andEasy to achieve”packaged external components.Then we chartedcircuitdiagram,created n etlist and layouted the prin ted circuit board(PCB)

6、 in thecomputer aideddesign software:Protel 2004. While layouting the PCB,we gave fullconsideration to highfrequency circuit design rules and utilized four layers structure andlarge-area ground pla ne torestrai nRF no ise. The exte nded in terface is also desig nedfor more sen sors.Node hardware des

7、ig n is completed, a wireless sen sor n etwork protocol structureand related n etwork architecture based on the CC2420 grasp the theoretical study ofZIGBEE sen sor n etworks worki ng en vir onment and achiev ing the requireme nts ofthe network,make it more secure, reliable operation。 networking hard

8、ware after thematch, Embedded n etwork in itializati on procedure and the various modules, formedinto a complete wireless sensor network operating system,After a lot of debugging work,the no des can com muni cate betwee n every two of them an dca n show the in formation of tran smissio n,receptio n,

9、ack no wledgme nt etc. And node cansen seto RS- 232lightin ten sity, and send it to cen ter no de.Whe n the uni versal serial port is conn ected interface,the node can com muni cate with pers onal computer the n we can mon itor thelight inten sity in formatio n on software platform.Key words：The wir

10、eless sen sor network, ATmega128L,ZIGBEE, CC2420目录1 绪论 11.1 论文研究的背景 11.2 论文研究的意义 11.3 国内外研究现状 11.3.1 国外无线传感器网络研究现状 11.3.2 国内无线传感器网络研究现状 11.4 论文的内容和结构 2 2CC2420 芯片 32.1 本论文对通信模块的要求 32.2 无线通信芯片 CC242032.2.1 芯片主要性能特点 42.2.2 芯片内部结构 42.2.3 应用电路 53 电路硬件实现 93.1 硬件电路要求及印制电路板 93.1.1 硬件电路要求 93.1.2 DXP 2004 及印

11、制电路板 103.2 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 103.2.2 通信接口电路 143.2.3 传感器模块 143.2.4 外部存储电路 143.2.5 供电电路/电压检测电路 153.2.6 单片机通过串口与 PC 的连接 153.2.7 天线的选择 164 传感器网络协议 IEEE802.15.4/ZigBee194.1 ZigBee 协议的结构 194.1.1 物理层 194.1.2 介质访问层（MAC）204.1.3 网络层和应用会聚层 214.2 安全性 214.3 ZigBee 协议的特点 214.4 传感器网络

12、体系结构 225 数据采集流程 235.1.硬件电路程序设计流程图 245.1.1 主流程序流程图 245.1.2 发送和接受数据流程图 245.2 数据分析 2610521 数据采集及传输 265.2.2 采集数据结果显示 296 结论 31参考文献 33致谢 34附录 A 35附件 B 361 绪论1.11.1 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

13、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。1.21.2 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。1.31.3 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

14、系统地利用无线传感器网络的实例是2002 年 In tel 实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测工程。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Berkele y 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

15、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工程之一，当时的工 程名称：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工程，初步建立了传感器

16、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。1.41.4 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

17、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 IEEE 802.15.4/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2 CC2420

18、 芯片2.12.1 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

19、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

20、业设计中用的是CC2420 这块芯片，下面将详细介绍这块芯片。2.22.2 无线通信芯片 CC2420CC2420CC2420 是 Chipcon 公司在 2003 年推出的首款符合 2.4GHz IEEE802.15.4 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 Smart RF03 技术，以 0.18um CMOS 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

21、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

22、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：2.4002.4835GHz;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（2.13.6V）;输出功率编程可控； IEEE 802.15.4 MAC 层硬

23、件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC 校验电源检测、完全自动MAC 层安全保护（CTR，CBC-MAC，CCM）; 802.15.4 Mac 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 勺加密/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 7X7mm222 芯片内部结构图222CC2420 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

24、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

25、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128 Bytes）。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MUTALZEMODUlATaRMfTALZ=M3DLILAT0iPDHinrALMODUUtTGF-MRMpmdMB-MD9LllLrtlEli*lDi-gtap andAniFogUB-Ifitsirrac-iOn-oh Ip1ZDACADCADCrADC/DAC4I 9miTC*r*rt I

26、_ I JMTN WCI$2 询 AISK MNCiI0 WCITF*TljB|TK PDWtt eWTRDI. |_LiJ.FREQSYHTHrI 9miTC*r*rt I_ I JMTN WCI$2 询 AISK MNCiI0 WCITF*TljB|TK PDWtt eWTRDI. |_LiJ.部分图 223.1 CC2420 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

27、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，精确度应该达到土40X10 &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

28、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CC2420PD0 *- -FIFOPPDl Y-FIFOPD6 *-CCAPD4 -SFDPB2 -*151PB4 - CUtPBO-尸CSn图 223.2 CC2420 与 ATmega128 接口CC2420 与处理器连接非常简单，如图 223.2,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

29、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

30、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

31、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3.13.1 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；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，

32、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M，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,集成度要高,（3）功耗低而且支持睡眠模式，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

33、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

34、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。3.1.2 DXP 2004 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Protl 2004 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 Windows 95/98/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（S

35、CH ）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

36、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

37、充分考虑了这几个方面问题。3.23.2 基于 CC2420CC2420 的 ZIGBEEZIGBEE 传感器网络的各个电路原理图及分析 321 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 IMIPS/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，远比其 他型号高，适合于需要反复编程实验的应

38、用环境。（2）片内有 4K 字节的 EEPROM、4K 字节的 SRAM,可以分别存放程序的 变量、堆栈和通信模块的配置参数。（3）片内提供两个 8 位定时器、两个 16 位扩展定时器。（4）外部 IO 引脚与通用单片机兼容，方便所有的人使用和明白。（5） 片内提供了两个通用同异步串行接口（USART）控制器，能够缓冲更多的数据，减少缓冲耗尽，串口收发速率可以达到1MBaud/s。（6）片内提供了一个串行外围接口（ SPI）控制器，SPI 通信协议比较简 单，通过时钟上升沿和下降沿控制数据输入和输出，因此可以达到很 高的吞吐率，支持主动和被动两种方式。（7） 片内提供 8 个通道的 10 位采

39、样精度的 ADC 控制器，这 8 个通道复用 一个模数转换控制器，它还支持 16 种差分电压输入组合。（8） 片内提供两个 8 位的脉冲宽度调制器（PWM），6 个 216 位分辨率 可编程的脉冲宽度调制器，脉冲调制功能是通过内部定时器实现的。（9）在电源管理方面提供六种可以通过软件选择的省电的睡眠模式。空闲 模式时CPU 停止工作，而 SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续 工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复 位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时 器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠 状态；ADC 噪声抑制模式

40、时 CPU和所有的 I/O 模块停止运行，而异 步定时器和 ADC 继续工作，以减少 ADC转换时的开关噪声；待机（Standby）模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极 少的电流，同时具有快速启动能力；扩展待机（Standby）模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。（10） 器件是以 Atmel 的高密度非易失性内存技术生产的。片内ISP Flash 可以通过 SPI 接口、通用编程器，或引导程序多次编程。（11） 工作电压范围宽（2.7-6V），抗干扰能力强。ATmega128L 属于 AVR 单片机中配置最高的产品。它在 AVR 内核的基 础上，增加了更多的功能和更加完善的接口

41、功能，在省电、稳定性、抗干 扰性以及灵活性方面也考虑得更加周全和完善。图 3.2.1 处理器接口电路在基于 CC2420 的 ZIGBEE 传感器网络中，其接口电路图如图3.2.1,ATmega128L作为无线传感器网络的计算核心，控制所有设备的运作，并调度任务，使通信模块收发同步，有效地传递所监测的有用信息，其功能强大，引脚众多，总共有 64 根引脚，下面是一些在基于 CC2420 的 ZIGBEE 传感器 网络中常用的、重要的引脚的功能描述：PA0- PA2 为系统指示灯，监测网络工作状态，它们为双向I/O 口，并具有可编程的内部上拉电阻，可以输出和吸收大电流；PA5 PF7 用于检测电源

42、工作状态，使基于 CC2420 专感器网络有足够电源供电 或者能检测到电源供应不足，它们为双向 I/O 口，并具有可编程 的内部上拉电阻，可以输出和吸收大电流；PF4PF7 作为多功能引脚，这四个引脚同时作为JTAG 的四个引脚，为方便JTAG 的使用， ATmega128L 使用该功能时， 自动在内部增加上拉 电阻；PF4PF4 为模数转换器外部引脚，把接收到数据进行模数转换；PB（PB3 PB5 PB6 PD4 PD6 PE6 PE7 用于连接通信模块的 CC2420 芯片，前面四个引脚作为 SPI 接口，通过这个 SPI 接口，处理器能 很方便的访问 CC2420 芯片；后面四个引脚用于

43、表示芯片收发数 据的状态；中间两个引脚使能 CC2420 芯片；PG3、PG4 为传感器网络提供 32.768kHz 晶振作为实时时钟源；PD2、PD3 为通用串行引脚，通过串行接口 MAX232 与 PC 机连接；PG0、PG1、PC0、PC1、PC2 是外部存储器电路引脚，PG0、PG1 作为读写信号和地址锁存信号，扩展外部存储器；VCC 数字电路的电源；GND 接地引脚；RESET 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位；XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入；XTAL2 反向振荡器放大器的输出；AVCC 为端口 F 以及 A

44、DC 转换器的电源，需要与 VCC 相连接，即使没有使用 ADC 也应该如此。使用 ADC 时应该通过一个低通滤波器与VCC 连接；AREF 为 ADC 的模拟基准输入引脚；PEN 是 SPI 串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN 为低电平将使器件进入 SPI 串行下载模式。在正常工作过程中 PEN 引脚没有其他 功能；ATmega128L 的工作时钟源可以选取外部晶振、外部 RC 振荡器、内部 RC 振 荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L 的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG 编程、ISP 编程等方式设置。本设计中ATmega128L 采用两个外部晶

45、振：7.3728MHz 晶振作为 ATmega128L 的 工作时钟；32.768kHz 晶振作为实时时钟源。3.2.2 通信接口电路基于 ZIGBEE 协议传感器网络采用的是 CC2420 这块芯片，需要外围电路少， 能在2.4GHz 频段上工作，且体积小、功耗低，非常适用于家庭及工业监控等应 用系统，通信接口电路如图 2.2.3.13.2.3 传感器模块节点传感器模块与计算机和通信子板分离，模块化的设计提高了节点在不 同应用中的灵活性。传感器模块可根据实际需要确定合适的传感器，如温度、湿度、振动、光强、气体报警、磁阻、红外等，以满足不同的需要。由于节点 多为电池供电，要求传感器体积小、功耗

46、低、外围电路简单，最好采用不需要 复杂信号调理电路的数字传感器。本文采用MTS300CA 的光敏传感器的电路设计，所用的传感器为双通光敏传感器。测得信号以差分信号的形式输出，分 别经过INA2126 的两个放大器进行信号放大，放大信号经ATmega128L 的ADC 控制器进行采集。3.2.4 外部存储电路本论文选用 512KB 串行 FLASHAT45DB041 存储数据。与普通的数据存 储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适 合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图3.2.4 所示。串行 FLASHAT45DB041分为三个主要部分：时钟发生器，发送器和接收器

47、。控制寄存器由三个单元共享。时钟发生器包括同步从机操作用来与外部 输入时钟进行同步的逻辑，以及波特率发生器。SCK （发送器时钟）引脚用于 同步发送模式。发送器包括单个写缓冲器，串行移位寄存器，奇偶发生器以及处理不同的帧格式所需的控制逻辑。写缓冲器可以保持连续发送数据而不会在 数据帧之间引入延迟。由于接收器具有时钟和数据恢复单元，它是外部存储模 块中最复杂的。恢复单元用于异步数据的接收。除了恢复单元，接收器还包括 奇偶校验，控制逻辑，移位寄存器和两个接收缓冲器UDR。接收器支持与发送器相同的帧格式，而且可以检测帧错误，数据过速和奇偶校验错误。它支持4种模式的时钟：正常的异模式，倍速的异步模式，

48、主机同步模式，以及从机同 步模式。图 3.2.4 外部存储电路3.2.5 供电电路/电压检测电路电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工作的芯片。供电电路如图3.2.5.1 所示图 325.1 供电电路为了保证基于 CC2420 的 ZIGBEE 传感器网络能够正常运行，完成信息 检测，根据能量储存状态调整自己的工作和通信策略，在这次设计中设计了检 测电压电路图，如图 325.2 所示。图 3.2.5.2 检测电路3.2.6 单片机通过串口与 PC 的连接通用串行接口的应用包括 RS-232 标准结合实现短距离的低速率通信。 到现 在为

49、止，串口通信还是个人计算机的常用设备最简单、最常用的通信方式。RS232 接口定义及连线：RS-232 接口又称之为 RS-232 口、串口、异步口或一个 COM（通信）口。RS-232是其最明确的名称。在计算机世界中，大量的接口 是串口或异步口，但并不一定符合RS-232 标准，但我们也通常认为它是RS232 口。严格地讲 RS-232 接口是 DTE （数据终端设备）和 DCE （数据通信设 备）之间的一个接口， DTE 包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE 通常只有调制解调器（MODEM ）和某些交换机 COM 口是 DCE。标准指出 DTE 应 该拥有一个插头（针输出），DCE

50、拥有一个插座（孔输出）。RS 232 信号的电平(-12V -5V , 5V 12V)和单片机串口信号的电平(0V 3V)不一致，必须进行二者之间的电平转换。在此使用的集成电平转换 芯片MAX232 为 RS 232C/TTL 电平转换芯片。它只使用单+ 5V 为其工作， 配接 4 个 1卩 F 电解电容即可完成 RS 232 电平与 TTL 电平之间的转换。其原 理图如图 3.2.6 所示。转换完毕的串口信号 TXD、RXD 直接和 ATmega128 的串 行口连接。RS-232 接口中 2 个数据信号：发送 TXD ;接收 RXD。1 个信号地 线：GND。图 3.2.6 单片机通过串口

51、与 PC 的连接3.2.7 天线的选择CC2420 可以使用不同类型的天线。通信中最常使用的天线是单极天线、螺旋天 线和环形天线。单极天线是长度对应电磁波长1/4 的谐振天线。下面就是一个简单的天线模型。单极天线的设计简单，可采用一根线简单地实现，甚至可以 集成到印制电路板中。对于低功耗应用，使用范围最佳且简单的1/4 波长单极天线。1/4 波长单极天线的长度为 L=7125/f，其中：f 的单位是 MHz ; L 的单位 是 cm。天线必须尽可能靠近集成电路连接。如果天线的位置远离输入引脚，就 必须与提供的传输线匹配。在我们的设计中，直接将天线集成到印制板上。CI+ CJ-CJ+6TUHTU

52、HlUOtJTMA33W图 327基于 CC2420 的 ZIGBEE 传感器网络的节点设计中，处理器 ATmega128 芯片还保留许多接口，用于 JTAGE、ISP 等多种编程，如 JTAG，它是一种工业测试标准接口，JTAG 接口可以用来调试处理器芯片，从硬件上控制处理器芯片的运行流程，包括单步执行、设置断 点、读写芯片的内部寄存器和存储器，通过调试接口可以进行Flash 编程。4 传感器网络协议 IEEE802.15.4/ZigBeeIEEE802.15.4/ZigBee 在无线通信领域，针对语音、视频、计算机局域网等 领域，具有中高数据率的应用都有相应的国际标准。从图4 中看，主要的

53、无线技术都集中在 1 Mbps 以上的速率，新的标准还在追求更高、更快的速率；而 IEEE802.15.4/ZigBee 定义的是 250kbps 的的速率的无线数据通信协议的物理层 和 MAC 层，恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺。TIfl 11rnmy .I3rmL 2 2 rnmlHnmm m -2b .iy nn工 3 7*grrmhUWBC5O2 l 工勉无 SVSB刚 2 lfijWi(30241a 80211K 802 丄耀)蓝牙侶2.15,1碍蛇(80m 勾IIID ICO n*10D n*10OJ图 4 几种无线技术的比较为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要

54、求，于2000 年 12 月成立 IEEE802.15.4 工作组，致力于定义一个廉价、固定、便携或移动设备使用的，极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。2003 年 5 月 IEEE 802.15.4标准正式发布，与此同时，建立在 IEEE 802.15.4 标准之上的 ZigBee 标准也于 2005 年7 月确定，负责制定网络层及其以上的协议一 IEEE 802.15.4/ZigBee。4.1 ZigBee 协议的结构IEEE802. 15. 4 满足国际标准组织(ISO)开放系统互联(0SI)参考模式，定 义了单一的 MA 层和多样的物理层，其结构包括物理层、介质访问层、网络层和

55、 高层，zigBee的协议结构如图 4.1 所示。|1介血访网启1施(1吵1血桁理昆图 4.1ZigBee 协议结构4.1.1 物理层IEEE802. 15. 4 共定义了 2. 4 GHz、915 MHz 和 868 MHz 这 3 个工作频带。 每个频带提供固定数量的信道，由于物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术。降低了数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，以利于低作业周期、 低功耗的运作。2. 4 GHz 频段(2. 42. 483 5 GHz)被划分为 16 个信道，数据 传输速率为 250kbps,基于 DSSS 方法的准正交调制技术，来自 PPDU 的二进制数 据被依次组

56、成 4 位二进制数据符号。每个数据符号被映射成 32 位伪噪音 CHIP， 以便传输。然后这个连续的伪噪音 CHIP 序列被调制到载波上。即采用半正弦脉 冲波形的偏移四相移相键控（O-QPSK）调制方法。其物理层帧结构如图 4.1.1 所 示。图 4.1.1 中：前导码为 4 Byte，主要用于帧同步；帧定界为 1 Byte，标志帧的 起始；帧长度为 1 Byte，指示了数据单元的长度；物理层数据据单元iiiuind4S04 字节】字肯f 字雪K117TP前晋码物理层爺据单兀图 4.1.1 ZigBee 物理层帧结构为 0127 Byte，用于承载所要传输的数据，即 MAC 帧。在 IEEE

57、802.15.4 中，总 共分配了 27 个具有二种速率的信道：在 2.4 GHz 频段有 16 个速率为 250 kbpS 勺信 道，在 915 MHz 频段有 10 个 40 kbps 的信道，在 868 MHz 频段有 1 个 20kbps 的信 道。一个 IEEE 802.15.4 网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在 27 个信道中 选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用 提供较好的选择。4.1.2 介质访问层（MAC）ZigBee MAC 层的设计主要考虑到尽可能的降低成本、易实现和可靠的数据 传输，网络中的设备通常可划分为两种类型，一种是全功能器件

58、（FFD），其功能是网络协调，可以与网络中的任何设备通信；另一种是简化功能器件（RFD），其功能只能与全功能器件通信，实现简单。IEEE802. 15. 4 MAC 层定义了广播帧、数据帧、确认帧和 MAC 命令帧等 4 种帧类型，其一般帧结构如图 4.1.2 所示，只有广播帧和数据帧包含了高层控制 命令或者数据， 确认帧和 MAC 命令帧则用于 ZigBee 设备同 MAC 子层功能实体间 控制信息的收发，广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和MAC 命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认并且已经 通过了CRC 校验，接收方立即发送确认帧。若发送方一定时间内收

59、不到确认 帧，则自动重发该帧。正因为 ZigBee 采用了载波侦听多址/冲突避免（CSMA/ CA）的信道接人方式和完全握手协议，使 MAC 层数据传输是非常可靠的。2字节1字节卜20字节变量2字节帧控制序列号地址信息净荷帧校验图 4.1.2MAC 帧结构其中帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么，序列号是传输数据 帧及确认帧的序号，仅当确认帧的序列号与上次数据帧的序列号一致时，才判 疋 数据传输业务成功。帧校验是 16 位循环冗余校验。净荷是 MAC 帧要承载的上层 数据，其长度可变，MAC数据帧被送至物理层，作为物理层帧数据（PPDU）的一 部分。4.1.3 网络层和应用会聚层网络

60、层包括逻辑链路控制层，802. 2 标准定义了 LLC，并且通用于诸如 802. 3、802. 11 及 802. 15. 1 等 802 系列标准中。而 MAC 层与硬件联系较为紧 密，并随不同的物理层的实现而变化。网络层主要采用了基于Ad-hoc 技术的网络协议，负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务。它们协同完成寻址、 路由及安全这些必须的任务。应用会聚层，也就是高层，将主要负责把不同的应用映射到ZigBee 网络上，具体包括：安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。4.24.2 安全性安全性一直是个人无线网络中的极其重要的话题。IEEE 802.15.4/ZigBee 协议使用