摘要：ZigBee是一种依据IEEE802．15．4规范的个域网协议，是一种低本钱、低功耗的近间隔无线组网通讯技能。文中介绍了一种依据Zig Bee与51内核的高频无线传感器网络节点的硬件规划办法，并具体介绍了其各组成模块的规划原理。该规划以Chipcon公司的CC2430为根底，可运用于依据ZigBee协议的各种软硬件开发。
关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络节点；51内核
0 导言
近年来，无线传感器网络技能得到了飞速发展，因为2．4 GHz通讯频段免费、敞开等特性，各种依据该频段的通讯协议，如Wi—Fi、蓝牙等技能已适当老练，并得到了广泛运用。ZigBee是一种依据IEEE802．15．4规范的低功耗个域网协议，该协议依据2．4 GHz频段，是一种低本钱、低功耗的近间隔无线组网通讯技能，近年来广泛运用于各种射频通讯范畴，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公司依据ZigBee协议的系列产品为代表的SOC(片上体系)也日趋老练。因而，规划一个本钱低价、功用安稳、功用完全的开发体系一直是相关研讨的一个重要组成。本文将介绍一种依据ZigBee与51内核的射频无线传感器网络节点硬件规划。该规划环绕Chipcon公司的CC2430芯片，该芯片满意ZigBee协议的物理层要求，并集成了一个51内核的MCU，价格低价，具有很好的开发潜力。规划选用了模块化规划办法，能够运用于各种依据ZigBee协议的软硬件开发。本文将具体介绍其各模块的规划办法与原理。
1 体系全体结构
该体系全体上分为两个部分：榜首部分是操控器与射频模块部分：第二部分是外围扩展电路部分。具体的体系结构图如图1所示。
2 操控器与射频模块规划计划
主控电路是整个体系的中心，它担任整个节点的全面调度与操控。考虑到设备运转保护的便利性、体系的集成性等特色，主控电路除具有数据的处理才能外，还能够存储必定量的数据。本规划选用了依据ZigBee技能的射频芯片CC2430为中心。该器材集成了51内核的MCU操控器与RF收发器，因而操控器模块与射频模块部分选用了全体规划方法。一起，片上还具有FLASH存储器，能便利地存储数据。该器材体积小，功用安稳，运算速度快，可扩展功用好，能较好满意本规划的各种需求。
2．1 CC2430操控器电路装备
在本规划中，主控单元承当外围器材扩展与操控、A／D转化、数据传输等功用。CC2430归于高度集成的SOC体系，其I／O口规划紧凑，并具有复用功用，因而，在规划中需求尽量节省I／O口的运用，必要时可对其进行扩展。一起，规划还应具有在线下载与调试功用，以便利工程运用的需求。
2．1．1 I／O口装备
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。每个口都能够独自设置为通用I／O或外部设备I／O。除了两个高输出口P1_0和P1_1之外，其他均用于输出。本规划相关I／O口经过插接件方法进行预留，以便利不同场合运用及扩展，具体如图2所示。
2．1．2 调试接口
本规划CC2430具有在线调试与下载功用，可依据需求进行自在装备。图3所示是CC2430调试接口图，该接口经过调试接口引脚P2．2与P2．1组成，它们别离用作调试时钟与调试数据信号引脚。
2．2 时钟与复位
CC2430的晶振选用二级规划，一级是32 MHz，另一级是32．768 kHz。在CC2430整机作业方法下(PM0)，这两种晶振需一起作业；而在PM1和PM2电源方法下(省电方法)，只要32．768 kHz晶振作业；在PM3方法下，两者全关。一起，在RBIAS1和RBIAS2(22、26引脚)引脚上须外接1％精细电阻，为32 MHz晶振供给准确偏置电流的具体电路如图4所示。
CC2430具有上电复位功用，也可选用手动复位。只需求将第10引脚RESETn强行拉至低电平，即可完结复位。
2．3 CC2430射频模块
CC2430射频模块部分的规划如图5所示。在本规划中，CC2430除P2.3和P2．4引脚预留外接晶振外，P0.0至P2.2引脚悉数引出作为接口。
RF输入输出选用高阻抗差分式，引脚别离为RF_n与RF_p。
本规划选用单极天线，为了取得最好的通讯功用，应选用非平衡变压器，以到达阻抗匹配的效果。
如图5所示，分立器材L321、L331、L341以及C341构成非平衡变压器，用来衔接差分输出端和单极天线。因为天线间隔RF引脚有一段间隔，所以需求针对天线到RF引脚的反应传输线规划阻抗匹配。因为是单极天线，所以匹配阻抗为50 Ω，这部分阻抗由非平衡变压器和PCB微带传输线组成，λ为PCB传输线上微波波长，微带传输线实际上便是λ／2阻抗匹配。
TXRX_SWITCH是一个模仿电源输出引脚，可为CC2430内部的低噪声放大器(LNA)和功率放大器(PA)供给校准电压。此引脚有必要经过外接DC电路衔接至RF_n和RF_p引脚。当CC2430处于接纳状况时，TXRX SWITCH内部接地，为LNA供给偏置电压，引脚上可得到低电平；当芯片处于发送状况时，TXRX SWITCH内部接供电电压，为PA供给偏置电压，引脚上可测得高电平。别的，该电路的外接天线选用SMA接口。
3 外围扩展电路
以CC2430为中心的无线传感器网络节点在实际运用中，可装备相应外围电路，首要包含外部电源电路、显现与按键电路、串口与USB通讯电路等。经过这些电路，可对射频与主控模块进行相应的开发与调试。
3．1 外部电源电路
本规划的电源电路首要由TPS79533低压稳压器及其外围器材组成。TPS79533输出3．3 V电压，其输入电压规模是2．7～5．5 V，并具有较高的电源按捺比、超低噪声、较好的电压线性和负载瞬态效应以及较小的电压漂移。其具体电路如图6所示。
3．2 液晶显现与键盘电路
3．2．1 液晶显现电路
液晶显现电路可选用128×64点阵式液晶显现器，一起，为节省主控芯片I／O口资源，选用了串／并口转化芯片74HC595d。具体电路如图7所示。
为了使液晶显现器具有适宜的背光亮度，还可在规划中选用相应的放大管，如9015来驱动液晶显现器背光显现。
3．2．2 键盘电路
本规划可经过按键电路调理各种参数，并经过液晶显现电路显现。如图8所示，键盘具有上、下、左、右、确认、退出6个按键，其间，方向按键的电路为分压电路，其分压值输入CC2430的P0．6端子。该I／O口具有A／D转化的功用，可经过软件完成键盘功用，然后节省了I／O口资源。
3．3 通讯电路
通讯电路担任节点与PC机之间的数据收发，以完成数据下载、调试等功用。CC2430选用RS232通讯方法，具体电路如图9所示。本规划选用经典规划的RS232电路，操控芯片选用了广泛运用的SP3223E，其RXD1与TXD1引脚可与CC2430的P0．2与P0．3引脚直接相衔接。
需求留意的是，在实际运用中，我们常常选用笔记本电脑对节点进行在线调试和程序下载等操作，而笔记本电脑一般不具有串口，需求外接USB-RS232转化电路。笔者发现，在转化电路的选取上，市面上存在依据PL2602、SP3223E等器材的转化电路能够挑选。PL2602尽管价格便宜，但并不习惯CC2430的高比特率传输，而SP3223E尽管价格较贵，但对CC2430的支撑较好，这也是在实际运用中需求留意的。
4 硬件工艺特色
因为以CC2430为中心的无线传感器网络节点作业在2．4 GHz的高频环境中，因而对其EMI要求较高。无线传感器网络节点的PCB也有相应的具体规划要求。
因为射频模块作业频率高，在具体的PCB规划中，依据TI公司的相关文档，可运用双层PCB。假如期望减小PCB尺度，也可采纳4层PCB规划。其具体要求如下：
(1)若选用双层PCB规划，则顶层用于元件的放置与信号衔接，经过大面积敷铜，以下降搅扰。
(2)电源滤波要求较高，退耦%&&&&&%器应尽或许接近供电引脚，而且经过独自的过孔衔接到印刷电路板的接地上。
(3)芯片的接地引脚，间隔运用独自过孔的封装引脚越近越好，以减小搅扰。
(4)外接元件越小越好，有必要运用外表贴装器材，具体规划可运用0603或0402封装的贴片元器材。
(5)假如在PCB上要运用高速外接数字设备，那么有必要避开RF电路。
(6)体系应选用大规模接地方法，以消除搅扰。可将PCB底层规划为接地层。
5 结语
本文介绍了无线传感器网络的组成单元，依据CC2430的无线传感器网络节点及其外围扩展电路的硬件规划和完成计划，并介绍了各个硬件模块的规划计划和作业原理。其间，具体介绍了操控器与射频模块电路和外围扩展电路，包含外部电源电路、液晶显现与键盘电路、通讯电路，并介绍了本规划在PCB规划时应留意的相关工艺关键。该规划在实际运用过程中功用安稳，作业杰出，对同类型的，依据2．4 GHz频段的高频电路规划具有必定的指导意义。
