ZigBee无线传感器网络节点硬件设计

１４　福　建　电脑　２０１　１年第１０期　ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点硬件设计　周锋　一．卞金洪　（１、盐城工学院信息工程学院江苏盐城２２４０５１　２东南大学信息科学与工程学院江苏南京２１００９６）　【摘　要】：无线传感器网络是由多门学科高度交叉综合的前沿热点研究领域，备受世界各国专家学　者和ＩＴ企业的关注。本文选用ＣＣ２４３０作为ＣＰＵ控制芯片，采用模块化的设计方案，分别设计完成了无　线核心模块ＰＣＢ、协调器外围电路ＰＣＢ以及终端节点外围电路ＰＣＢ。本文设计的电路具有实际应用价值。　【关键词】：无线传感网；Ｚｉ　ｅｅ；ＣＣ２４３０；　ＺｉｇＢｅｅ是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据　速率、低成本的无线通信新技术．主要适合于自动控制　和远程控制领域，可以嵌入在各种设备中，同时支持地　理定位功能…　它依据ＩＥＥＥ　８０２．１５．４标准，可协调几千　个节点之问的相互通信。这些节点只需要很少的能量．　以接力的方式通过无线通信把数据从一个节点传到另　一个节点，通信效率高。与其他无线网络相比，ＺｉｇＢｅｅ　技术是功耗和成本最低的技术。它在家庭和楼宇网络、　工业控制、商业应用、公共场所、农业控制、医疗技术中　有着广泛的应ｊ＝Ｈ　本文介绍一种基于ＴＩ的ＣＣ２４３０的　ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络节点硬件设计的方法　０、概述　在ＺｉｇＢｅｅ网络结构里．根据设备在网络中的地位　与功能不同．可以分为全功能设备（ＦＦＤ：Ｆｕｌｌ　Ｆｕｎｃｔｉ０ｎ　Ｄｅｖｉｃｅ）ｉ￣ｃＨ简化功能设备（ＲＦＤ：Ｒｅｄｕｃｅｄ　ｆｕｎｅｔｉｏｎ　ｄｅｖｉｃｅ１　两种功能类型设备　ＦＦＤ是具有路由与管理功能的网　络设备，可以作为协调器“Ｃｏｏｒｄｉｎａｔｏｒ）和路由器　ｆ（Ｒｏｕｔｅｒ），ＦＦＤ设备不但能够与ＦＦＤ设备通信．还可与　ＲＦＤ设备进行通信　ＲＦＤ设备作为网络终端设备只能　够与ＦＦＤ设备通信．ＲＦＤ设备之间不能通信．不具有　路南和中继的功能　根据在网络中承担的角色不同．ＺｉｇＢｅｅ网络中的　设备可以分为三种．第一种是协调器．处于网络的最顶　端．具有建立网络和维护网络的能力：第二种是路由　器，处于网络的中间层．有链接其它子设备并转发数据　的能力；第三种是结构和功能都最简单的终端设备．负　责采集现场数据，使用电池供电并且大部分时问处于　睡眠状态　三种设备中．路由器和协调器必须是ＦＦＤ　设备。　１、ＺｉｇＢｅｅ节点硬件设计方案　本文所设计的ＺｉｇＢｅｅ网络硬件系统由协调器、路　南器和终端三类节点构成．下面分别给出它们的设计　方案。　南于ＺｉｇＢｅｅ技术采用的是２．４ＧＨｚ高频信号．而　在节点电路中除ＣＣ２４３０的高频部分外还有大量的低　基金项目：盐城工学院校级科研项目（Ｎｏ．ＸＫＹ２０１　１０３４）　速数字电路．为了消除低速数字电路对高频信号的影　响．本系统采用了模块化的ＰＣＢ设计方法　，把射频　电路与低速数字电路分别设计在两块不同的ＰＣＢ上．　二者通过排针相互连接　在本系统中．三类节点均采用　模块化设计．它们的射频部分完全相同．由ＣＣ２４３０及　其正常工作必备的品振、天线、复位等电路构成。每种　类型的节点根据实际应用的需要设计自己的底板．这　样在确保高频电路少受数字信号影响的同时也降低了　设计的复杂程度．增强了硬件系统的可移植性　协调器节点是整个ＺｉｇＢｅｅ网络的核心．担负着建　立和管理网络、与上位机通信、收集和处理传感器数　据、向其它节点发送控制指令以及显示网络状态和监　测数据的任务　本系统中协调器通过ＲＳ２３２／４８５接口　与上位机进行通信。协调器采用持续供电的方式．其硬　件系统中必须包含电源电路　除无线核心模块外．其他　电路均设计在底板ＰＣＢ之上．协调器节点的硬件结构　框图如图ｌ所示　图１中所示虚线部分为节点收发功　率放大器ＣＣ２５９１及其必需的外围电路．只有远距离　无线核心模块才具有。　图１协调器节点硬件电路框图　路由器节点既有数据中继转发功能和路由表及邻　居表的维护功能，又能够进行现场数据采集。因此它的　节点硬件结构与终端节点基本相同．两者仅在传感器　的数量或类型、控制算法及软件设计上存差异。因此，　本文对路由器节点的硬件设计便不加以详细阐述．　终端节点是网络系统中数据采集和运行控制的一　线执行者．它负责采集现场数据和执行　调器的控制。　在本文所设计的ＺｉｇＢｅｅ网络系统中．终端节点使Ｊ

｛ｊ无　２０１　１年第ｌＯ期　福　建　电脑　１５　线核心模块与协调器节点或路由节点进行通信．由传　感器执行数据采集．利用ＬＥＤ指示灯显示其本身的网　络状态和工作状态　终端节点采用电池供电．硬件系统　中包含专用的供电电路　终端节点的各部分电路除无　线核心模块外均设计在底板ＰＣＢ之上．终端节点的硬　件结构框图和协调器节点硬件电路框图：基本相同．只　是把ＲＳ２３２／４８５接口电路换成专，｝＿｝ｊ传感器电路　２、ＺｉｇＢｅｅ节点硬件设计　２．１无线核心模块设计　不论是协调器、路由器。还是终端节点，无线核心　模块都是整个硬件系统的核心　它主要由ＣＣ２４３０芯　片、时钟电路、滤波电路、微带＋外接天线ｆ或ＰＣＢ天线）　构成。为保证无线模块的通信距离和可靠性．本系统所　设计的电路严格参照ＴＩ公司提供的参考电路　根据实　际应用的需要．本系统设计了两种无线核心模块．带功　放ＣＣ２５９１的远距离无线模块和不带ＣＣ２５９１的普通　模块　图２普通无线模块电路原理图　在普通无线模块中．射频部分需使用微带天线或　ＰＣＢ天线　射频芯片（ＣＣ２４３０）的ＲＦＰ和ＲＦＮ是一对差　分ＲＦ输入／输出引脚。在接收模式下，ＲＦＮ作为低噪声　放大器ｆＬＮＡ１正ＲＦ输人信号，ＲＦＰ是到ＬＮＡ的负ＲＦ　输入信号：在发送模式下，ＲＦＰ是来自功率放大器（ＰＡ１　的正ＲＦ输出信号．ＲＦＮ是来自ＰＡ的负ＲＦ输出信　号　ＲＦ差分输入，输出正端ＲＦＰ和负端ＲＦＮ连接平衡　一不平衡变换电路和二型阻抗匹配电路以消除祸合噪　声的影响　不带功放的普通模块的电路原理图如图２　所示ｆ本系统采用微带＋外接ＳＭＡ天线１　２．２　ＺｉｇＢｅｅ节点底板电路设计　ＺｉｇＢｅｅ节点底板电路包括协调器节点底板电路、　路由器节点底板电路、传感节点底板电路　这三个底板　电路绝大部分都是一样的．主要包括电源电路、复位电　路、ＲＳ２３２／４８５接Ｅｌ电路、ＬＥＤ及ＬＣＤ显示电路，按键　电路和ＪＴＡＧ下载口等。这些电路比较简单．这里就不　做赘述．仅介绍一下常用的传感器电路与传感节点电　源电路。　２．２．１传感器电路　本系统设计了两种终端节点传感器电路：分别是基　于ＭＬＸ９０６１４的非接触式红外测温电路和基于　ＤＨＴｌｌ的温湿度传感器电路　我们还可以根据实际需　要增加相应的传感器去测量温度、压力、流量、湿度、厚　度等各种信息　我们仅以以下对两种传感器的特性和　检测电路作介绍　ｆ１１　ＭＬＸ９０６１４是一款非接触式红外线温度感应芯　片　它在同一个封装内整合了红外热屯堆感应器与一　款定制的信号调节芯片　ＭＬＸ９０６１４在信号调节芯片　中使用了先进的低噪声放大器．一枚ｌ７位ＡＤＣ以及　功能强大的ＤＳＰ元件。从而实现高精度温度测量。它　有ＳＭＢｕｓ和ＰＷＭ两种数字输出方式　在默认设定在　ＳＭＢｕｓ输出方式下．温度测量范围为一４０ｃ【＝～８０％．解析　度为Ｏ．Ｏ２℃。ＭＬＸ９０６１４是一种低功耗传感器．且拥　有节能关断工作模式．符合ＺｉｇＢｅｅ网络的低功耗要　求。但由于ＭＬＸ９０６１４的造价偏高，所以大都被用于测　温精度要求高或无法接触的场合，如医疗设备监测、温　度舒适度感应系统、高压线连接点温度测量等。　图３．基于ＭＬＸ９０６１４ＢＡＡ的非接触式红外测温电路　ＭＬＸ９０６１４的电气连接非常简单．只需将相应的引　脚分别与ＣＣ２４３０的两个通用Ｉ／Ｏ口、３．３Ｖ和地连接　即可，不需要任何的辅助元器件。基于ＭＬＸ９０６１４的非　接触式红外测温电路原理图见图３所示　ｆ２１　ＤＨＴ１１数字温湿度传感器是一款含有已校准　数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数　字模块采集技术和温湿度传感技术．确保产品具有较　高的可靠性与卓越的长期稳定性　传感器包括一个电　阻式感湿元件和一个ＮＴＣ测温元件．并与一个高性能　８位单片机相连接　每个ＤＨＴ１　ｌ传感器都在精确的湿　度校验室中进行校准　校准系数以程序的形式储存在　ＯＴＰ内存中．传感器内部在检测信号的处理过程中要　调用这些校准系数。和ＤＳ１Ｂ２０一样．ＤＨＴ１１也采用单　线制串行接口．读取温度和湿度时均通过一条数据线　按先后顺序读出　ＤＨＴ１１的测量范围为１０—９０％ＲＨ，　０－５０％。测量精度为±５％ＲＨ和±２ｑＣ，同时具有体积小、　功耗低、信号传输距离远（可达２０米以上）的特点，适合　用于智能家居和精细农业的温湿度监测　ＤＨＴｔ１　（　Ｄ　图４．ＤＨＴ１１温湿度传感器检测电路　

ＤＨＴ１１采用４针单排引脚封装．其中第３引脚未　１６　福　建　电脑　２０１　１年第１０期　定义，供电电压为３～５．５Ｖ。其检测电路与ＤＳ１８Ｂ２０基　本相同．基于ＤＨＴ１ｌ的温湿度传感器检测电路如图４　所示。　图５．终端节点供电电路　２．２．２电源电路　实际应用中．ＺｉｇＢｅｅ节点数量众多．一般分散安装　在监测现场的各个部位．且许多现场环境十分危险．生　产设备运行时操作人员无法靠近．经常为终端节点更　换电池较为困难　因此在设计终端节点的供电模块时：　一方面要选取大容量电池．本系统选取４．２Ｖ．４２００ｍＡｈ　的电池为终端节点供电；另一方面要选取功耗小、输出　电流较小的低压差ＤＣ—ＤＣ芯片．本系统选取　ＸＣ６２０６Ｐ３３２ＭＰ一３．３作为终端节点的电压转换芯片　ＸＣ６２０６Ｐ３３２ＭＰ一３．３是一种小内阻、低功耗、高精度的　稳压芯片，适用于电池供电的应用设备，且价格便宜，　符合ＺｉｇＢｅｅ协议的要求。终端节点的供电电路如图５　所示。　图５中，直流电源插口和二极管用于电池充电　为　电池充电时，只需与５Ｖ直流电源连接即可　电源电压　．－４－－－－＋－－—＋～－＋－—卜一—＋＿一——卜－—＋一＊＋　（上接第１３８页）　翟　：＝：０　（１２）　器　、　一　＝　米÷厕　ｔｎ　经二极管分压后降至４．３Ｖ左右正好符合电池的充电　电压。　３、总结　本章阐述了ＺｉｇＢｅｅ网络系统的节点硬件设计的方　案，并分别给出协调器、路由器和终端节点的模块化构　成。详细介绍了无线核心模块、协调器外围电路以及终　端节点外围电路的设计方法和设汁结果　本文的设计　充分利用了ＺｉｇＢｅｅ无线技术组网简单、网络扩张容　易、成本低等优势，符合管理信息化、智能化和网络化　的发展趋势　参考文献：　［１］赵景宏，李英凡，许纯信，Ｚｉ【ｇＢｅｅ技术简介　电力系统通信，　２００６，２７（１６５）　【２］ＺｉｇＢｅｅ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｓ］，ＺｉｇＢｅｅ　Ａｌｌｉａｎｃｅ，Ｄｅｃ　２００６　【３］Ｄ．Ｇｉｌｓｏｎ．ＺｉｇＢｅｅ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｎｅｔｗｏｒｋｉｎｇ［Ｍ】．１　ｓｔ　ｅｄ．Ｗａｌｔｈａｍ：　Ｎｅｗｎｅｓ．２００８．６　【４］Ｄ．Ｈ．Ｋｉｍ，Ｊ．ＹＳｏｎｇ，ｓ．Ｈ．Ｌｅｅ，ｓ．Ｋ．Ｃｈａ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｅｖａｌｕａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ＺｉｇＢｅｅ　ｎｏｄｅ　ｆｏｒ　ＵＳＮ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，２００９，ｖｏ１．１　０　［５］陈凯，张丕状，韩众．无线传感器网络节点的模块化设计Ｕ】，传　感器与微系统．２００８，２７（６）【６】任秀丽，于海斌．ＺｉｇＢｅｅ无线通信协　议实现技术的研究［Ｕ】，计算机工程与应用．２００７，４３（６）　［７］马祖长，孙怡宁，梅涛．无线传感器网络综述Ｕ］．通信学报，２００４，　２５（４）　【８】任丰原，黄海宁，林闯．无线传感器网络【叫．软件学报，２００３，１４　（７）　－—－　－—－－　一－＋－＋一＋－＋一＋一＋一＋－＋・　化到１００￣（２，仿真结果如图２所示。从图中可以看出输　出电压在一２ＯｏＣ～１００￣（２温度范围内变化３．４ｍＶ．即输出　电压的温度系数为２９ｐｐｍ／￣Ｃ。电源抑制比的仿真结果　如图３所示．在１ｋＨＺ和１００ｋＨＺ可分别获得一３４ｄＢ　和一１７ｄＢ的电源抑制比　参考文献：　【ｌｌＢ．Ｓ．Ｓｏｎｇ　ａｎｄ　Ｐ．Ｒ．Ｇｒａｙ，　“Ａ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃｕｒｖａｔｕｒｅ—ＣＯＤｐｅｎｓａｔｅｄ　ＣＭＯＳ　ｂａｎｄｇａｐ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，＂ＩＥＥＥ　Ｊ．Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏ１．ＳＣ一　１８，ＰＰ．６３４—６４３，Ｄｅｃ．１９８３．　ｆ２１Ｋ．Ｎ．Ｌｅｕｎｇ　ａｎｄ　Ｐ．Ｋ．Ｔ．Ｍｏｋ，“Ａ　ｓｕｂ一１一Ｖ　１５－ｐｐｍ／￣Ｃ　ＣＭＯＳ　ｂａｎｄｇａｐ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｗｉｔｈｏｕｔ　ｒｅｑｕｉｒｉｎｇ　ｌｏｗ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｅｖｉｃｅ，”ＩＥＥＥ　Ｊ．Ｓｏｌｉｄ—Ｓｔａｔｅ　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏ１．３７，ＰＰ．５２６—５３０，Ａｐｒ．２００２．　【３］Ｍｏｈａｎ　Ｖ．Ｄｕｎｇａ，Ｘｕｅｍｅｉ　ａｎｅ）Ｘｉ，Ｊｉｎ　Ｈｅ，Ｗｅｉｄｏｎｇ　Ｌｉｕ，　Ｋａｎｙｕ，Ｍ．Ｃａｏ，Ｘｉａｏｄｏｎｇ　Ｊｉｎ，Ｊｅｆｆ　Ｊ．Ｏｕ，Ｍａｎｓｕｎ　Ｃｈａｎ，Ａｌｉ　Ｍ．　Ｎｉｋｎｅｊａｄ，Ｃｈｅｎｍｉｎｇ　Ｈｕ．ＢＳＩＭ４．６．０　ＭＯＳＦＥＴ　Ｍｏｄｅ１．Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，Ｂｅｒｋｅｌｅｙ．Ｐｒｅｓｓ，２００６．　［４１Ｙ．Ｔａｕｒ　ａｎｄ　Ｔ．Ｈ．Ｎｉｎｇ，Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　Ｍｏｄｅｍ　ＶＬＳＩ　Ｄｅｖｉｃｅｓ．　Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，Ｕ．Ｋ．：Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ　Ｕｎｉｖ．Ｐｒｅｓｓ，２００２．