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ZigBee射频无线传感器网络节点设计方案

2013-11-26 10:30
seele_jin
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  近年来,无线传感器网络技术得到了飞速发展,由于2.4 GHz 通信频段免费、开放等特性,各种基于该频段的通信协议,如Wi-Fi、蓝牙等技术已相当成熟,并得到了广泛应用。ZigBee 是一种基于IEEE802.15.4 标准的低功耗个域网协议,该协议基于2.4 GHz 频段,是一种低成本、低功耗的近距离无线组网通信技术,近年来广泛应用于各种射频通信领域,如区域定位、视距数据传输、物联网标签、车用无线电子设备等。

  以Chipcon 公司基于ZigBee 协议的系列产品为代表的SOC(片上系统)也日趋成熟。因此,方案设计了一个成本低廉、性能稳定、功能齐全的开发系统一直是相关研究的一个重要组成。本文将提出一种基于ZigBee 与51 内核的射频无线传感器网络节点硬件设计方案。该设计方案围绕Chipcon 公司的CC2430芯片,该芯片满足ZigBee 协议的物理层要求,并集成了一个51 内核的MCU,价格低廉,具备很好的开发潜力。设计方案采用了模块化设计方法,能够应用于各种基于ZigBee 协议的软硬件开发。本方案将详细介绍其各模块的原理与设计方法。

  1 系统总体框架

  该系统总体上分为两个部分:第一部分是控制器与射频模块部分;第二部分是外围扩展电路部分。具体的系统框架图如图1 所示。

ZigBee射频无线传感器网络节点设计方案

  2 控制器与射频模块设计方案

  主控电路是整个系统的核心,它负责整个节点的全面调度与控制。考虑到设备运行维护的便利性、系统的集成性等特点,主控电路除具备数据的处理能力外,还能够存储一定量的数据。本设计采用了基于ZigBee 技术的射频芯片CC2430为核心。该器件集成了51 内核的MCU 控制器与RF 收发器,因此控制器模块与射频模块部分采用了整体设计模式。同时,片上还具备FLASH 存储器,能方便地存储数据。该器件体积小,性能稳定,运算速度快,可扩展性能好,能较好满足本设计的各种需要。

  2.1 CC2430 控制器电路配置

  在本设计中,主控单元承担外围器件扩展与控制、A/D转换、数据传输等功能。CC2430 属于高度集成的SOC 系统,其I/O 口设计紧凑,并具备复用功能,因此,在设计中需要尽量节约I/O 口的使用,必要时可对其进行扩展。同时,设计还应具备在线下载与调试功能,以方便工程应用的需要。

  2.1.1 I/O口配置

  CC2430 具有21 个数字I/O 口引脚,即P0、P1、P2.它们均是8 位I/O 口。每个口都可以单独设置为通用I/O 或外部设备I/O.除了两个高输出口P1_0 和P1_1 之外,其余均用于输出。本设计相关I/O 口通过插接件形式进行预留,以方便不同场合使用及扩展,具体如图2 所示。

ZigBee射频无线传感器网络节点设计方案

  2.1.2 调试接口

  本设计CC2430 具备在线调试与下载功能,可根据需要进行自由配置。图3 所示是CC2430 调试接口图,该接口通过调试接口引脚P2.2 与P2.1 组成,它们分别用作调试时钟与调试数据信号引脚。

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