ZigBee无线传感器网络节点设计

分类：免费论文    更新时间：08-06    来源：网络

 ZigBee无线传感器网络的组成

2.1.1 ZigBee网络中存在的设备

Zigbee网络中存在着三种设备它们分别是协调器(coordinator)、路由器(router)和终端设备(End Device)。

协调器是一个ZigBee网络的第一个开始的设备或者是一个ZigBee网络的启动或者建立网络的设备。协调器节点选择一个信道和网络标识符(PAN ID)，然后开始组建一个网络。协调器设备在网络中还有其他作用，比如建立安全机制，网络中的绑定和建立

路由器可作为普通设备使用也可作为网路中的转接节点，用于多级跳通信，他还可以辅助其他节点完成通信

终端设备一个ZigBee网路的最终端，完成用户功能，比如信息的收集等等。

2.1.2 三种设可备组成的网络拓扑类型

如图2-1所示三种设备可组成的网络拓扑类型有三种它们分别是网状(MESH)、树状(TREE)、星状(STAR)。

  

图2-1 ZigBee的网络拓扑结构

2.2 无线传感器网络的整体设计

通过对2.1中无线传感器网络种设备的学习和认识，对整个网络采取如图2-2的设计，此网为树状拓扑结构的网络。监控中心由l台计算机和1个协调器节点(主节点)组成，协调器是一种实现一组很多ZigBee服务的FFD，负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制或起到通信路由的作用，主要是接收各温度终端节点传来的温度数据并进一步通过串口传输到PC机。设备节点可以是FFD或RFD，RFD是最简单的ZigBee节点，只实现一组最少的ZigBee服务，主要是采集温度。

图2-2 系统的整体结构

2.3 CC2430模块设计

不论是协调器、路由器还是终端节点都需要处理器，所以本次设计把处理器从主板分离出来，把处理器模块化，这样方便扩展与维护。

本次设计用到的处理器为CC2430，CC2430在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF) 前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位MCU（8051），具有128 KB 可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21 个可编程I/O 引脚。 CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于25 mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

CC2430模块原理图如图2-3所示，电路使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器可使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C7 和电感L1、L2、L3 以及一个PCB 微波传输线组成，整个结构满足RF 输入/输出匹配电阻(50 Ω)的要求。内部T/R 交换电路完成LNA 和PA 之间的交换。R4 和R3 为偏置电阻，电阻R4 主要用来为32 MHz 的晶振提供一个合适的工作电流。用1个32 MHz 的石英谐振器（XTAL2）和2 个电容（C10 和C11）构成一个32 MHz 的晶振电路。用1 个32.768 kHz 的石英谐振器（XTAL1）和2 个电容（C21 和C3）构成一个32.768 kHz 的晶振电路。电压调节器为所有要求1.8 V 电压的引脚和内部电源供电，C4和C12 电容是去耦合电容,用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。

 

图2-3 CC2430模块原理图

2.4 协调器扩展板设计

协调器是无线感器网络中最重要的设备，它用于组建网络，收集并处理来自路由器和终端节点的数据，如图2-4所示，扩展板外设包括如下6部分。

 

图2-4协调器框图

2.4.1串口电路

串口是一个非常重要的端口，在这里用于协调器和PC之间的信息交换，PC可以通过串口对整个网络进行监控，协调器可以通过串口把从路由器和终端节点收集到的数据发送至ＰＣ。

因为PC的RS－232信号电平（-12V—-5V，5V—12V）和单片机串口信号的电平（0V—3.3V）不一致，必须进行二者之间的电平转换。在此使用集成电平转换芯片MAX3232CSE，MAX3232CSE为RS－232C／TTL电平转换芯片。其工作电压为单+3.0V~+5.5V，配接4个0.1μF瓷片电容即可完成RS－232电平与TTL电平之间的转换。其原理图如图2-5所示，TTL串口信号TXD、RXD直接和CC2430的串行口连接。RS-232接口中2个数据信号：发送TXD；接收RXD。1个地线：GND。

 

图2-5串口电路

2.4.2显示部分　

协调器在不连接ＰＣ的时候为了方便调试和显示，在协调器上加了显示电路，显示模块采用的是LCD12864图形点阵液晶，内部采用ST7565驱动芯片。

如图2-6所示该模块采用并行数据通信,接口定义为6800方式，为了节约CC2430模块的端口，采用74HC595进行串并转换，模块电路如图所示，74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准，具有8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，三种状态输出，寄存器可以直接清除，100MHz的移位频率。LCD背光由单片机控制，为了增强端口的驱动能力 ，图中用到了三极管作为开关使用；LCD的复位采用的是阻容复位方式，在系统加电时自动复位。

 

图2-6  LCD连接图

2.4.3电源电路

协调器采用两种模式供电，如图2-7分别是 USB供电和电池供电。因为最终供给各元件的电压为3.3V，对于USB来说要对5V的电压进行降压，本电路采用的是AMS1117—3.3  LDO高效线性稳压器，压差不高于1.2V；对于电池的供电部分，电路采用DC-DC升压芯片，因为干电池在使用的时候电压会随着能量的减少而降低，所以就不能保证系统元件对电压的要求，本升压电路IC用的是BL8530-3.3  DC-DC 单片集成升压转换器, 低功耗5uA、高效率87%，高精度低噪声。

 

图2-7电源电路

2.4.4按键电路设计

键盘电路由复位键方向键和命令键组成，如图2-8 方向键通过AD采样完成，通过不同的电压值来判断按键值，这样可以节省I/O口，命令则按键直接通过I/O口判断。

 

图2-8独立按键和ADC按键

2.4.5调试小灯

如图2-9 LED电路图，通过观察小灯来判断网络是否建立完成是否有节点加入是否有数据交换等。