基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计

传感器与仪器仪表

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基于射频芯片的ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点的设计

ＴｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆＺｉｇｂｅｅｗ矛ｒｅｌｅｓｓｅｎｓｏｒｎｅ八甲ＯｒｋｎｏｄｅｂａｓｅｄｏｎＲＦＣＣＺ刁３０

炯北农业大学）刘雅举蔡振江

ＬＩＵＹ八目ＵＣＡ４ＺＨＥＮＪＩＡＮＧＺＨＡＮＧＬＩ张莉李东明赵秋霞

ＵＤＯＮＧＭＩＮＧＺＨＡＯＯ｝ＵＸＩＡ

摘要：擦合了传感器技术、嵌入式计葬枝术、分布式信息处理技术和通信技术等多学科领城的无践传感器网络已经引起了人们的极大关注。它在国防军事、环挽科学以及智能家居等领城有着广泛的应用，由于其通常运行在人不能或不便接近的环境，能源无法替代，因此，设计合理的网络节点成为无线传感器网络的关健问题。丈中提出了以射妞芯片ＣＣ２４３０为核心，配

合徽处理器的２１９１城无线传感器网络节点设计方案。论迷了系统的构成和工作原理，对系统硬件电路和软件设计作了说明。关衬词：无线传感器网络：２娘Ｂ民技术；ＣＣ２４加中图分类号：ＴＮ，ＩＬ儿文献标识码：Ａ

Ａ肠谧口ｄ二私ｒｅｌ哪￣ｎｅｔｗｏｒｋ毗ｉｎｔｅ脚ｌｉｏｎｏｆ朋ｎｓｏｒｌｅｃｈｎｉ甲１翻，朋ｓｔｅｄｃＯｍｌｌｕｔａｌ卜Ｊｎｔｅｃ俪平阴，击日示加朗仪肋ｐｕ以ｉｏｎ姗ｈ－ｎｉｑｕ翻翻ｄ俪ｒ〔Ｉｅｓ６ｃｏｎｕｉｃａｔｉｏｎ伽ｈｎｉｑｕ璐朋ｄ阳ｏｎ，如ａｎｉｎｔｅｒｅ日ｔｉｎｇｆｉｅｌｄ，ａｎｄ加ｎｓ￣山ｌｄ吟川ｔｅｎ６ｏｎｓ．飞抽初山阶汕。目１０盯ｐｎ招ｐ沈扭口日‘ｅｉｔｄｅ，ｄ叩叫〕ｉｄ】ｙ访妙６山毗ｈ助而】ｉｔａ叮，哪１咖ｍｅｎｔ即１￣，．口已ｄ玩爬即ｄ．阅．Ａｓｉｔｒｕｎｉｎｇａｔａｒｅ口ｏｔｅ￣ｗｈ二比「吧汇ｐｌｅ州ｔｏｒ啊ｔ价ｎｉｅｎｄｙ姗ｄ】田ｌｄ面咖场ｎｇｉｌ．ｐ阅ｓｉｂｌｅｉｎ．ｕｌ，拓ｔ川ｊｏｎｏｆｌ阳，ｅｒ￣戈ｔｈｅ讯比ｋ阳ｓｅ￣ｎｅｔｗｏｔｋ肠ａ脚ｐｒＯｂｌｅｍ皿ｄｓｓｉ，Ｊｌｌｇａ俪。耐讹ｔ脚。ｒｋｌｌ仪ｋ・马ｅｄ图１，ｏｆｚｉｇＢｅ吧树ｉｒｅｌ翎即加“皿ｉｓｐｒｅ．咧己￣日ｙａｄＯＰｔｉ赌ＲＦ南ｐＣＣ２４３０袱ｔｈＭＣＵ．肠ｅｓ”比ｍｓｓｌｎｊｃｌｌ甘ｅａｌｌｄ钾。ｒ‘ＩｎｇＰｒｉ配ｉＰｌｅ，ａｎｄ卜．记，毗ｃｉｒｃｌｌｉｌ．山备ｄＳＯｆ卜￣ｄｅｓｉ加叱毗，ｅｎｔｏＫ盯和ｒｄ：Ｗ吮恤．ｓｅａｒｒ世白甲ｏｒｋ，石９肠比吸伙卜朋】脚罗，ＲＦＣＣＭ３０

１引言

２１四既是一种基子ＩＥＥＥＳＯＺ１５４规范的无线技术。它具有在８倪．１５Ａ规范上创建的安全和应用层接口、工作于免授权的

２４Ｇ日：频段、以年计算的超低电池寿命、极大可伸缩的网络和星型网络拓扑（每个主设备可支持４万多个节点）等诸多优点，在国防军事、工业控制、消费性电子设备等领域有很大的发

展空间。 ＲＦＣＣ２４３０芯片以强大的集成开发环境作为支待，内部线

路的交互式调试以遵从ＩＤＥ的Ｉ－ＡＲ工业标准为支持，得到嵌人式机构很高的认可。它结合Ｃ卜ｉｐｅ。公司全球先进的２１沙ｅｅ协

议栈、工具包和参考设计，展示了领先的２１少，解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线传感器网络等领域，同时也

适用于ｚｉｇＢ忱之外２．４ＧＨＺ频率的其他设备。

２硬件设计

１、芯片无线收发模块内部结构

ＣＣ２４３Ｏ芯片的内部结构如图１所示。天线接收的射频信号

经过低噪声放大器和四下变频处理后，中频信号只有ＺＭＨＺ，

此混合均信号经过滤波、放大、ＡＤ变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传轴的正确数据。

发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送人１２８字节的发送级存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。

根据ＴＥＥＥＳＩ）２．巧４标准，所要发送的数据流的每４个比特被

刘雅举：助教

甚金项目：河北省自然科学墓金资助项目（创２１２ｌｌｅ３２码片的扩频序列扩频后送到ＤＡ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到２涛Ｇ爪，并经过

放大后经发射天线发射出去。

图ＩｃＣ２４３０芯片内部结构

２、系统硬件设计

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电翻食组单元

图２传感器网络节点组成框图 传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元和数据传

物单元以及电源管理单元等模块组成。节点硬件结构由图２所

示。徽处理器ＡＴ口ｅ郎１２８通过ＳＰＩ总线和一些离散控制信号与

仓．自，，局、。号：８２－９４６３６０、，年一１６７－万方数据传感器与仪器仪表中文核心期刊《微计算机信息，（测控自动化）２００７年第２３卷第８－１期

ＲＦ收发芯片ＣＣ２４３Ｏ进行通信。

ＣＣ２４３Ｏ外围电路如图３所示。ＣＣ２４３０内部使用１．ＳＶ工作

电压，适合于电池供电的设备，外部数字加接口使用３３Ｖ电压．这样可以保持和３．３Ｖ逻辑器件的兼容型。它在片上集成了

一个自流稳压器，能够把３３Ｖ电压转化成１．ＳＶ电压。这样对于

只有３ＪＶ电源的设备，不需要额外的电压转换电路就能正

常工作。 ３软件设计

按照硬件电路设计，系统软件编程的基本思路是：先对ｓＰＩ

端口、ＣＣ２４３０控制端口初始化；使能ＳＰＩ端口、ＵＡＲＴ端口和ＡＤＣ；对ＣＣ２４３Ｏ芯片初始化；开启接收机后，就可以运行任务

程序，实现接收或发送数据。发送和接收程序流程图如图４和

图５所示。

图３ＣＣ２４３０芯片外围电路

ＣＣ解３０射频信号的收发采用差分方式进行传输，其最佳差

分负载是，阻抗匹配电路应该根据这个数值进行调整。如果使用单端天线则需要使用平衡月卜平衡阻抗转换电路（ＢＡＬＬＵＮ，巴

伦电路），以达到最佳收发效果。 ＣＣ２４３０需要有１６ＭＨＺ的参考时钟用于２５０ｋＬＰｓ数据的收

发。这个参考时钟可以来自外部时钟源，也可以使用内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟，直接从ｘｏｓｃｌ６一１引脚引

人，ｘ０ＳＣ１６－学保持悬空‘如果便用内部晶体振荡器，晶体接在

ｘ０ＳＣ１６－ＱＩ和ｘｏＳＣ１６￣ＱＺ引脚之间。ＣＣ２４３０要求时钟源的精度应该在科ｘｌｏ书以内。 图５接收程序流程图

无线通信协议是软件中的一个重要问题，因为它自接关系

到节点的性能。因此，在链路层，设计了一个简化的ＣＳＭＡｊＣＡ

协议即任何节点在发送之前必须进行一段随机时间的侦听，在确认目前没有别的节点在进行数据传输时才进行数据发送，收

发双方通过三次握手来文换数据。在系统空闲时，关闭侦听功

能，以尽可能降低功耗。当然，这种协议存在着隐含节点以及侦听时的功耗损失等间题，但在一定的节点数量范围内还是很有

效的。在网络层协议上，采用了简化的伪６路由协议，之所以采

用Ｉｐ叼石，是考虑到ＩＦ诵的巨大的地址空间、邻居发现功能、安全性好等优良特性。

图４发送程序流程图 ４结束语

ＳｍａｒｔＲＦＣＣ２４３０是一款符合ｚｉｇＢ二技术的高集成度商业用射频收发器件，其ＭＡＣ层和ＰＨＹ层协议符合５０２注丘４规范，

工作于免授权的么４ｃｌｚ频段。利用此芯片开发的无线传感器

网络节点成本低、功耗小，适用于电他长期供电。具有硬件加密、

安全可靠、组网灵活、抗毁性强等特点，为无线传感网络的广泛

应用提供了理想的解决方案。

论文创新点：在链路层，设计了一个简化的ＣＳｈｌＡＩＣＡ协议．

即任何节点在发送之前必须进行一段随机时间的侦听，在确认目前没有别的节点在进行数据传输时才进行数据发送，收发双

方通过三次握手来文换数据。在系统空闲时，关闭侦听功能，以

尽可能降低功耗。当然，这种协议存在着隐含节点以及侦听时的

功耗损失等问题，但在一定的节点数ｔ范围内还是很有效的。在

网络层协议上，采用了简化的ＩＰｖ６路由协议，之所以采用正诵，是考虑到１八６的巨大的地址空间、邻居发现功能、安全性好等

优良特性。吓转第１邹殉

一１６８一洲０元１年娜局仃阅号：８２．今佑万方数据 在簇头之间的层次关系建立以后，为了避免冲突，这个时候

启用了ＣＳＭＡ］ＣＤ机制。一旦收集完数据的簇头发送数据到ＢＳ，它会选择另一个簇头节点做中转站。并在该中转站的两个时间

片之间的间隔时间发送数据。它会根据该中转站在形成阶段广

播的ＴＩ）摘Ａ调度来估计是否该中转站是否处于两个时间片之

间的空闲时间。如果它正在接收其它节点发送的数据，那么此

簇头等待一段时间。直到监听到该中转站已经空闲，簇头才将数据发送到中转站节点，然后中转站节点又会用同样的方法来

发送数据到Ｂｓｏ

３仿真和分析

３．１仿真环境介绍

在仿真中使用了以下参数。网络大小为１０＊ｌ０平方米。共

１０个传感器，一个簇中成员数为１５或者２０。仿真使用礴ＯＫＢ玲

传输速率的无线模式。数据大小为３６字节。网络拓扑是随机均

匀分布。为了易于表示，用ＮＥＷ来代替改进后的算法。 ３．２性能估计和分析

图一和图二显示了能量消耗的仿真结果，最初，改进后的算法消耗了更多的能量，这是由于簇头的初始化消耗了能量，但是

从长远来看，Ｌ厄ＡＣＨ算法消耗了更多能量。 同时，这篇论文也总结了节点初使能量为倪ＳＪ，。ｊＪ，１．ＯＪ

的网络，第一个节点死亡时的结果，见表一，很明显，ＬＥＡｃＢ算法比改进后的算法更早出现节点死亡。 表１网络中第一个节点死亡所需回合数 传感器与仪器仪表

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作者简介：李秉智（ｌ９月石一，男（汉族），河北唐山人，重庆邮电大学

教授，硕士，主要从事计算机网络与通信的研究；赵娜（１９８２一），女（汉族），重庆大足人，重庆邮电大学研究生，硕士，主要从事计算机网络与通信的研究。

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４总结和未来工作展望

本文作者创新点：针对ＬＥＡＣＨ算法中簇头产生具有极大的

随机性，使得节点消耗能耗不一，以及在转发阶段容易发生冲

突问题，从而导致减少网络生存时间。提出了改进的算法，仿真

结果表明：改进后的算法使得能量消耗大大减少，延长了网络的