CC2420的传感器设计

1、 本论文的主要内容是制作基于CC2420的ZIGBEE传感器网络硬件节点，并实现节点间的通信。本文中通信模块选择的射频芯片是CC2420，它是挪威Chipcon公司推出的一款符合IEEE 802.15.4和ZIGBEE标准的收发芯片，只需很少的外围元件就可以与单片机构成一个无线通信系统；微处理器是ATMEL公司生产的RISC结构的8位单片机ATmega 128L。文中详细介绍了这两个主要芯片的选型、性能和特点，并对关键部分的硬件接口作了详细阐述。 在设计过程中，我们充分考虑到硬件节点功耗低、成本低、体积小等要求，在选择芯片所需的外围电路元件时，为减小节点体积，这些元件的外部封装都选用体积小 ，

2、易实现的。利用Protel 2004电路板设计软件，首先绘制电路原理图，完成原理图后生成网络表，然后进行实际布线，生成印制电路板。在设计PCB过程中，充分考虑了高频电路的设计原则，使用了四层布线结构和大面积铺地来抑制高频模拟信号的噪声。硬件节点设计完成后，进行无线传感器网络协议结构和相关网络体系结构理论研究,把握基于CC2420的ZIGBEE传感器网络的工作环境和实现的要求，使网络更安全地、可靠地运行；网络硬件搭配完毕后，嵌入程序和初始化网络的各个模块，组建成一个完整的无线传感器网络操作系统，经调试，硬件节点可以接收光敏传感器电路中的光源信号，同时将采集到的数据发送到终端节点，实现两个硬件节点

3、间的通信。通用串行接口能与RS-232标准串行接口连接，实现与计算机的通信；在PC机上显示采集数据。关键词：无线传感器网络，ATmega128L，ZIGBEE，CC2420Abstract This paper is focused on the implementation of wireless sensor network node Based on CC2420 and chieving the communication capability in the nodes. We choose the CC2420,a IEEE 802.15.4 compliant chip provi

4、ded by Chipcon corpor- ations RF transceiver,and it need a MCU and few external components to constitute a wireless communication system. Microcontroller is RISC structure based 8 bit controller ATmega128L from ATMEL corporation. We also gave a detaileddescription of key hardware interface in the pa

5、per.Taking the request of low cost,low power,small size into consideration,we chose the low power、small size and Easy to achievely packaged external components.Then we charted circuit diagram,created netlist and layouted the printed circuit board(PCB) in the computer aided design software:Protel 200

6、4. While layouting the PCB,we gave full consideration to high frequency circuit design rules and utilized four layers structure and large-area ground plane to restrain RF noise. The extended interface is also designed for more sensors.Node hardware design is completed, a wireless sensor network prot

7、ocol structure and related network architecture based on the CC2420 grasp the theoretical study of ZIGBEE sensor networks working environment and achieving the requirements of the network,make it more secure, reliable operation; networking hardware after the match, Embedded network initialization pr

8、ocedure and the various modules, formed into a complete wireless sensor network operating system,After a lot of debugging work, the nodes can communicate between every two of them and can show the information of transmission,reception,acknowledgment etc. And node can sense to RS-232 light intensity,

9、 and send it to center node.When the universal serial port is connectedinterface,the node can communicate with personal computer then we can monitor thelight intensity information on software platform. Key words: The wireless sensor network, ATmega128L, ZIGBEE, CC2420 目录1 绪论11.1 论文研究的背景11.2 论文研究的意义1

10、1.3 国内外研究现状11. 3.1 国外无线传感器网络研究现状11.3.2 国内无线传感器网络研究现状11.4 论文的内容和结构22 CC2420芯片 32.1本论文对通信模块的要求32.2无线通信芯片CC242032.2.1芯片主要性能特点42.2.2芯片内部结构42.2.3应用电路53 电路硬件实现93.1硬件电路要求及印制电路板93.1.1硬件电路要求93.1.2 DXP 2004及印制电路板103.2基于CC2420的ZIGBEE传感器网络的各个电路原理图及分析103.2.1处理器接口电路103.2.2通信接口电路143.2.3传感器模块143.2.4外部存储电路143.2.5供电电

11、路/电压检测电路153.2.6单片机通过串口与PC的连接163.2.7天线的选择174 传感器网络协议IEEE802.15.4/ZigBee194.1 ZigBee协议的结构194.1.1 物理层194.1.2介质访问层(MAC)204.1.3网络层和应用会聚层214.2安全性214.3 ZigBee协议的特点224.4传感器网络体系结构235 数据采集流程265.1.硬件电路程序设计流程图265.1.1主流程序流程图265.1.2 发送和接受数据流程图265.2 数据分析285.2.1数据采集及传输285.2.2采集数据结果显示296 结论31参考文献33致 谢34附录A 35附件B 361

12、 绪论1.1 论文研究的背景随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术的飞速发展，20世纪90年代末在美国发现了具有现代意义的无线传感器网络技术。其后，该技术相继被一些重要机构预测为将改变世界的重要新技术之一，同时相关研究工作也在世界各个主要发达国家轰轰烈烈的开展起来，并在各个应用领域实现了突破，已被认为是对二十一世纪产生巨大影响力的技术之一，与塑料电子学和仿生人体器官被称为全球未来的三大高科技产业，也是我国重点开展的研究领域之一。1.2 论文研究的意义无线传感器网络可以实现大面积的信息采集、分布式处理、网络总体信息的融合和数据的远程传输等功能，从而实现人类不方便去的地方进行环境监测。传

13、感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛用于军事、环境监测和预报、智能家居、火星探测、城市交通和建筑物状态监控、生物医疗、大型工业的安全监测等领域。它的研究对人类生活和生存来说具有广泛和深远的意义。1.3 国内外研究现状1. 3.1 国外无线传感器网络研究现状目前比较系统地利用无线传感器网络的实例是2002年Intel实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测项目。大鸭岛是一个对外来监控设备十分敏感的生态环境。Intel实验室和大西洋学院在大鸭岛上部署了研究组在大鸭岛上部署了由43个传感器接点组成的传感器网络。传感器节点用了Berkeley的Mote节点，节点上运行的软件是Berkeley开发的T

14、inyOS。节点上装有多种传感器以监测海岛上不同类型的数据。传感器网络进行了9个月左右的监控，得到了大量第一手数据。实验表明传感器网络在这样的应用环境中有非常明显的优势。生态环境监测是无线传感器网络在应用上的一个方面，也是一个跨学科的课题。传感器网络为实现更加准确、数据量更大、对环境影响更小的生态监测提供一个全新的手段。这也表明传感器网络在应用方面有着重大突破，研究进入高热化阶段。1.3.2 国内无线传感器网络研究现状我国现代意义的无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动，首次正式出现于1999年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域提出的五

15、个重大项目之一，当时的项目名称：重点地区灾害实时监测、预警和决策支持示范系统。2001年中国科学院依托上海微系统所成立微系统研究与发展中心，在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目，初步建立了传感器网络系统的研究平台，在无线智能传感器网络通信技术、微型传感器、传感器端机、移动机站和应用系统等方面取得很大进展。未来，无线传感器网络将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的方向发展，最终成为现实世界和数字世界的接口，深入到人们生活的各个层面，像互联网一样改变人们的生活方式，实现微型、安全、多功能、低功耗、集成化的高效无线传感器网络。1.4 论文的内容和结构本文针对基于CC2420的ZI

16、GBEE无线传感器网络这一国内外研究热点，在检索阅读了大量国内外网站、期刊文献和分析系统功能需求的基础上给出了嵌入式无线传感器网络硬件节点的总体设计方案。采用嵌入式系统软、硬件协同开发技术，基于ARM处理器实现了一种无线传感器网络节点的硬件设计，为特定应用无线传感器网络的开发构建了一个平台。 本文第一章简单介绍无线传感器技术研究的背景、意义及国内外研究现状；第二章介绍射频芯片CC2420及各个引脚功能，并阐述及相关电路原理图；第三章按照功能模块对节点的硬件设计进行了详细的阐述，其中包括：主控模块的设计，射频模块的设计，检测电路模块和外部存储器模块的设计等；第四章简单描述IEEE 802.15.

17、4/ZIGBEE和无线无线传感器网络体系结构；第五章简单介绍利用基于CC2420ZIGBEE传感器网络采集数据流程；第六章是这次毕业设计的总结。2 CC2420芯片2.1本论文对通信模块的要求 传感器网络的链路层跟其他网络一样，需要提供流量控制、传输可靠的点到点的通信服务。但也与其他网络网络不同，它本身对数据传输速率要求不高，而对长期稳定工作要求很高，而且节点在大部分的时间内处于休眠状态中，所以要求链路层能够解决通信同步问题，即通信双方要在同时唤醒，而且各个传感器网络节点在通信上是对等的，也就是说没有优先级可言，所以要保持所有节点的同步，而不是通信双方的简单的同步。传感器网络是一个低功效、低成

18、本、速率要求不高的一个网络，而802.15.4协议，即ZIGBEE协议，定义250kbps的低复杂度、超低功耗和超低成本的无线数据通信的物理层和MAC层，同时支持无线安全通信。ZIGBEE技术标准在设计过程中充分考虑到了传感器网络的应用要求，在功耗、同步技术及安全问题也都做了充分的考虑。另外除了2.4GHz的载波频段，ZIGBEE还定义了700MHz和866MHz两个频段，同时支持多种数据通信速率，ZIGBEE很可能成为传感器网络使用的无线通信标准协议之一。正是随着ZIGBEE协议的发布和日渐成熟，世界各大无线芯片产商陆续推出支持IEEE802.15.4的无线收发芯片，其中Freescale公

19、司推出的MC13192，Chipcon公司推出的CC2420是比较典型的产品。在本次毕业设计中用的是CC2420这块芯片，下面将详细介绍这块芯片。2.2无线通信芯片CC2420CC2420是Chipcon公司在2003年推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发芯片。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的Smart RF03技术，以0.18um CMOS工艺制成，性能稳定且功耗极低，具有很高的集成度。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片

20、开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。CC2420是为低功率、低电压无线应用而设计的单片RF收发芯片。CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需天线、16MHz晶体等非常少的外围电路就能在频率为2.4GHz的频段上工作，是在免授权的ISM（工业、科研和医疗）频带上进行无线通信的低成本、高集中的解决方案。CC2420为信息包处理提供广泛的硬件支持，数据缓冲器、发射、数据加密、数据证明、空闲信道评估、链路质量指示和信息包实时资料，这些特点减少主控制器的工作量，使CC2420能方便地与低成本微处理器相接。并且还提供一个SPI 接口与处理器连接，通过这个接口

21、，处理器能很方便地对CC2420配置和收发数据这两方面的工作。2.2.1芯片主要性能特点CC2420的主要性能参数如下：·工作频带范围：2.4002.4835GHz；·数据速率达250kbps，码片速率达2MChips/s；·采用直接序列扩频方式DSSS；·采用O-QPSK与半正弦脉冲整形调制方式；·超低电流消耗（RX：19.7mA，TX：17.4mA），高接收灵敏度（-94dBm）；·内部使用1.8工作电压变压器，内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器，可以直接采用低电压供电（2.13.6V）；·输出功率编程可控；&

22、#183;IEEE 802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验电源检测、完全自动MAC层安全保护（CTR，CBC-MAC，CCM）；· 802.15.4 Mac硬件安全： 自动安全操作与接收和发送FIFOs ；CTR加密、解密模式；CBC-MAC的加密/解密和验证；采用独立的AES加密算法；·与控制微处理器的接口配置容易（4总线SPI接口）；·开发工具齐全，提供有开发套件和演示套件；·采用QLP-48封装，外形尺寸只有7×7mm。2.2.2芯片内部结构 图2.2.2 CC2420芯片内部结构图2.

23、2.2是CC2420芯片内部结构，CC2420是低中频的收发器。天线接收的射频信号经过低噪声放大器LNA和正交下变频处理后，形成中频信号为2MHz的同相分量和正交分量，然后信号经过滤波、放大A/D变换、自动增益控制、数字解调和解扩，最终恢复出传输的正确数据。发射机部分基于接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中，头帧和起始帧是通过硬件自动生的。根IEEE 802.15.4标准，所要发送的数据流的每4个比特被32码片的扩频序列扩频后到D/A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2.4GHz，并经放大后送到天线发射出去；CC2420是低中频接收器，接收到的射频

24、信号被低噪声放大器放大后，下变频为中频，在中频的I/Q信号被滤波和放大后，被模数转换器A/D数字化，最后储存在接收存贮器中(RXFIFO，共128 Bytes)。2.2.3应用电路CC2420只需要极少的外围元器件，其应用电路如图2.2.3所示。它的外围电路主要包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。 图2.2.3.1 CC2420的应用电路 输入输出匹配射频输入/输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入、输出阻抗，使其输入/输出阻抗为50?，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。CC2420射频信号的收发采用的是差分方式传送，射频端最适合的负载是115+j180?。

25、当使用如单极天线等不平衡天线时，为优化性能必须使用不平衡变压器，不平衡变压器可以用便宜的分立的电阻和电感组成。图中C10、C11、C12、C13、L2组成不平衡变压器，L1和L3匹配射频输入/输出阻抗50?，L1、L2同时提供功率放大器和低噪声放大器的直流偏置。 偏置电阻R10偏置电阻是电流基准发生器的精密电阻，阻值为43k？。 晶振时钟电路CC2420需要16MHz的参考时钟用于数据的收发，可以来自外部时钟源，也可以由内部晶体振荡器产生，精确度应该达到±40×108。如果使用外部时钟，直接从XOSC16_Q1引脚输入，XOSC16_Q2脚悬空；如果使用内部晶体振荡器，晶振

26、接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引脚之间。晶振起振需对CC2420选通命令寄存器SXOSCON使能。 微控制器接口 图2.2.3.2 CC2420与ATmega128接口CC2420与处理器连接非常简单，如图2.2.3.2，可以通过4线SPI接口(SI、SO、SCLK、CSN)设置芯片的工作模式，处理器就是通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器，SPI接口接收和发送时都与时钟下降沿对齐，并实现读/写存数据，读/写状态寄存器等；通过使用FIFO、FIFOP、SFD、和CCA管脚的状态表示收发数据的状态。通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，它只有在信道有信号时输出高电

27、平，在接收状态下有效，在CC2420进入接收状态至少8个符号周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。通过SFD管脚状态的设置可以制时钟/定时信息的输入，CC2420收到SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完为止，如果启用了地址辨识，如果地址辨认失败，SFD引脚会立即输出低电平。它和CCA引脚与微处理器的相应管脚相连以实现系统射频功能的控制与管理。FIFO和FIFOP引脚标识接收FIFO缓存区的状态。如果接收FIFO缓存区有数据，则FIFO引脚为高，相反则低；FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某一个临界值时或CC2420收到一个完整的帧时输出高电平，临界值可通过C

28、C2420的寄存器设置。CC2420有两个用于访问FIFO缓存区的寄存器：一个是TXFIFO寄存器，通过写TXTFIFO寄存器，把需要发送的数据按字节依次写入发送缓存区，然后通过写寄存器STXON或STXONCCA的命令，等待时机从无线信道发送数据；一个是RXFIFO寄存器，用于访问接收FIFO缓存器，当CC2420接收到数据时，数据存入FIFO缓存器，并改变FIFO和FIFOP的状态，处理器通过RXFIFO寄存器读出接收到的数据。3 电路硬件实现3.1硬件电路要求及印制电路板3.1.1硬件电路要求无线传感器网络是集数据采集、处理及通信功能于一体的分布式自组织网络。由传感器子板、微处理器模块、

29、数据存储电路、无线通信模块、能量供应模块等组成。相对于传统无线网络节点，无线传感器网络节点具有明显的技术特点：(1)网络节点密度高，数量大；(2)节点的计算和存储能力有限；(3)节点体积微小，通常携带能量十分有限的电池，节点能量有限；(4)通信能力有限，传感器网络的通信带宽较窄，节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米，因此在有限的通信能力下如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题；(5)各传感器节点位置随机分布，具有自组织特性。因此各个模块要求如下：1、 处理器模块处理器模块是无线传感器网络的计算核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和数据转储程序等都将在这个模块的支持下

30、完成，所以处理器的选择在整个网络的节点设计上是至关关重要的，其要求如下：(1)外形要小，(2)集成度要高,(3)功耗低而且支持睡眠模式,(4)运行的速度要快，(6)要有足够的外部通用IO端口和通信接口，(6)成本要低，(7)有安全性保证。2、通信模块由于在传感器网络中，数据速录要求不高，但要长期工作，功耗要低，而且能简单实现，而ZIGBEE协议正符合这一要求，在这次论文中选了CC2420芯片。3、传感器模块传感器在市场上各种各样，有温湿度传感器、光照传感器、声音传感器、加速度传感器等等，传感器本身工艺水平和成本制约了传感器网络的应用，应根据需要尽量选择体积小，并且价格便宜，灵敏度高的芯片。4、

31、数据存储电路模块对于低速率通信、低功耗运行、低频率使用的传感器节点来说，许多传输数据，包括自身采集的数据、从领结点获取的转发的数据以及在一段时间内需要保存的各种信息，都需要一个安全可靠的存储地方，所以会在外面留有外部存储器。为了避免外面复杂环境的影响，而失去重要的信息，所以应选择非易失存储器。3.1.2 DXP 2004及印制电路板在电路图和印制电路板的设计中，我们使用的Protl 2004软件是一种功能强大，目前国内外应用十分广泛的EDA设计软件。Protel软件包是20世纪90年代初由澳大利亚PROTELTECHNOLOGY公司研制开发的专用于电子行业类CAD设计的商业应用软件，它在我国电

32、子行业中知名度很高。最近推出Protel 2004是应用于Windows 95/98/NT4/2000下的EDA设计软件，它采用设计库管理模式，可以进行联网设计。其功能强大，包括电子电路原理图（SCH）设计、电子电路原理图（SCH）仿真、印制电路板（PCB）设计、电子电路实现前后的信号完整性分析和可编程逻辑器件（FPGA）设计等。电路板设计首先从原理图开始，整个设计过程是在原理图的指导下完成的，设计要保证两点：正确性和完整性。正确性：从电路板布线角度（假设原理设计正确），正确性主要是指“画”的正确，即符合规范地产生电路原理图。完整性是指原理图必须包含能指导布线过程顺利完成的全部信息。布线图设计

33、要点：完成原理图并生成网络表，接下来进入实际布线过程；生成一个PCB图，调用原理图生成的网络表，布线软件会把对应元件的封装调入；如果出现找不到的封装，需要自己在元件库里查找；保证把所有元件的封装调入，进入元件布局，最后布线。在电路图的设计过程中，由于数字器件正朝着高速、低耗、小体积、高抗干扰性的方向发展，这一发展趋势对印刷电路板的设计提出了很多新要求。电路往往集成度较高，布线密度大，采用多层板既是布线所必须的，也是降低干扰的有效手段；电路布线的引线最好采用全直线，少折线，需要转折，可用45度折线或圆弧转折；高频电路器件管脚间的引线层间交替越少越好；高频电路布线要注意信号线近距离平行走线所引入的

34、“交叉干扰”，若无法避免平行分布，可在平行信号线的反面布置大面积“地”来大幅度减少干扰；对特别重要的信号线或局部单元实施地线包围的措施，我们在电路板的设计中也充分考虑了这几个方面问题。3.2基于CC2420的ZIGBEE传感器网络的各个电路原理图及分析3.2.1处理器接口电路微处理器电路采用Atmel公司的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，由于其先进的指令集以及单周期指令执行时间，ATmega128L的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega128L具有如下特点：（1） 片内有128K字节

35、的系统内可编程Flash，能够编程10000次，远比其他型号高，适合于需要反复编程试验的应用环境。（2） 片内有4K字节的EEPROM、4K字节的SRAM,可以分别存放程序的变量、堆栈和通信模块的配置参数。（3） 片内提供两个8位定时器、两个16位扩展定时器。（4） 外部IO引脚与通用单片机兼容，方便所有的人使用和明白。（5） 片内提供了两个通用同异步串行接口（USART）控制器，能够缓冲更多的数据，减少缓冲耗尽，串口收发速率可以达到1MBaud/s。（6） 片内提供了一个串行外围接口（SPI）控制器，SPI通信协议比较简单，通过时钟上升沿和下降沿控制数据输入和输出，因此可以达到很高的吞吐率，

36、支持主动和被动两种方式。（7） 片内提供8个通道的10位采样精度的ADC控制器，这8个通道复用一个模数转换控制器，它还支持16种差分电压输入组合。（8） 片内提供两个8位的脉冲宽度调制器（PWM），6个216位分辨率可编程的脉冲宽度调制器，脉冲调制功能是通过内部定时器实现的。（9） 在电源管理方面提供六种可以通过软件选择的省电的睡眠模式。空闲模式时CPU停止工作，而SRAM、T/C、SPI端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作，寄存器的内容则一直保持；省电模式时异步定时器继续运行，以允许用户维持时间基准，器件的其他部分则处于睡眠状态；A

37、DC噪声抑制模式时CPU和所有的I/O模块停止运行，而异步定时器和ADC继续工作，以减少ADC转换时的开关噪声；待机（Standby）模式时振荡器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展待机（Standby）模式则允许振荡器和异步定时器继续工作。（10） 器件是以Atmel的高密度非易失性内存技术生产的。片内ISP Flash可以通过SPI接口、通用编程器，或引导程序多次编程。（11）  工作电压范围宽（2.7-6V），抗干扰能力强。ATmega128L属于AVR单片机中配置最高的产品。它在AVR内核的基础上，增加了更多的功能和更加完善的接口功能，在省

38、电、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面也考虑得更加周全和完善。   图3.2.1处理器接口电路在基于CC2420的ZIGBEE传感器网络中，其接口电路图如图3.2.1，ATmega128L作为无线传感器网络的计算核心，控制所有设备的运作，并调度任务，使通信模块收发同步，有效地传递所监测的有用信息，其功能强大，引脚众多，总共有64根引脚，下面是一些在基于CC2420的ZIGBEE传感器网络中常用的、重要的引脚的功能描述： PA0PA2 为系统指示灯，监测网络工作状态，它们为双向I/O口，并具有 可编程的内部上拉电阻，可以输出和吸收大电流； PA5、PF7 用于检测电源工作状态，使

39、基于CC2420传感器网络有足够电源 供电或者能检测到电源供应不足，它们为双向I/O口，并具有可编程的内部上拉电阻，可以输出和吸收大电流； PF4PF7 作为多功能引脚，这四个引脚同时作为JTAG的四个引脚，为方 便JTAG的使用，ATmega128L使用该功能时，自动在内部增加上拉电阻； PF4PF4 为模数转换器外部引脚，把接收到数据进行模数转换； PB0PB3、PB5、PB6、PD4、PD6、PE6、PE7 用于连接通信模块的CC2420 芯片，前面四个引脚作为SPI接口，通过这个SPI接口，处理器能很方便的访问CC2420芯片；后面四个引脚用于表示芯片收发数据的状态；中间两个引脚使能C

40、C2420芯片； PG3、PG4 为传感器网络提供32.768kHz晶振作为实时时钟源； PD2、PD3 为通用串行引脚，通过串行接口MAX232与PC机连接； PG0、PG1、PC0、PC1、PC2 是外部存储器电路引脚，PG0、PG1作为读写信号和地址锁存信号，扩展外部存储器；VCC 数字电路的电源；GND 接地引脚；RESET 复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位； XTAL1 反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入；XTAL2 反向振荡器放大器的输出；AVCC 为端口F以及ADC转换器的电源，需要与VCC相连接，即使没有使用ADC也应

41、该如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与VCC连接；AREF 为ADC的模拟基准输入引脚；PEN 是SPI串行下载的使能引脚。在上电复位时保持PEN为低电平将使器件进入SPI串行下载模式。在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能； ATmega128L的工作时钟源可以选取外部晶振、外部RC振荡器、内部RC振荡器、外部时钟源等方式。工作时钟源的选择通过ATmega128L的内部熔丝位来设计，熔丝位可以通过JTAG编程、ISP编程等方式设置。本设计中ATmega128L采用两个外部晶振：7.3728MHz晶振作为ATmega128L的工作时钟；32.768kHz晶振作为实时时钟源。3.2.2通信

42、接口电路 基于ZIGBEE协议传感器网络采用的是CC2420这块芯片，需要外围电路少，能在2.4GHz频段上工作，且体积小、功耗低，非常适用于家庭及工业监控等应用系统，通信接口电路如图2.2.3.13.2.3传感器模块节点传感器模块与计算机和通信子板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。传感器模块可根据实际需要确定合适的传感器，如温度、湿度、振动、光强、气体报警、磁阻、红外等，以满足不同的需要。由于节点多为电池供电，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单，最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。本文采用MTS300CA的光敏传感器的电路设计，所用的传感器为双通光敏传感器。测得信

43、号以差分信号的形式输出，分别经过INA2126的两个放大器进行信号放大，放大信号经ATmega128L的ADC控制器进行采集。3.2.4外部存储电路本论文选用512KB串行FLASHAT45DB041存储数据。与普通的数据存储器相比，该芯片具有功耗低、体积小、串行接口、外部电路简单等特点，适合传感器节点使用。数据存储电路示意图如图3.2.4所示。串行FLASHAT45DB041分为三个主要部分：时钟发生器，发送器和接收器。控制寄存器由三个单元共享。时钟发生器包括同步从机操作用来与外部输入时钟进行同步的逻辑，以及波特率发生器。SCK（发送器时钟）引脚用于同步发送模式。发送器包括单个写缓冲器，串行

44、移位寄存器，奇偶发生器以及处理不同的帧格式所需的控制逻辑。写缓冲器可以保持连续发送数据而不会在数据帧之间引入延迟。由于接收器具有时钟和数据恢复单元，它是外部存储模块中最复杂的。恢复单元用于异步数据的接收。除了恢复单元，接收器还包括奇偶校验，控制逻辑，移位寄存器和两个接收缓冲器UDR。接收器支持与发送器相同的帧格式，而且可以检测帧错误，数据过速和奇偶校验错误。它支持4种模式的时钟：正常的异模式，倍速的异步模式，主机同步模式，以及从机同步模式。 图3.2.4外部存储电路3.2.5供电电路/电压检测电路电能是传感器网络非常宝贵的资源，为了保证硬件电路的低功耗设计，节点芯片的选择均使用低功耗、低电压工

45、作的芯片。供电电路如图3.2.5.1所示。图3.2.5.1供电电路为了保证基于CC2420的ZIGBEE传感器网络能够正常运行，完成信息检测，根据能量储存状态调整自己的工作和通信策略，在这次设计中设计了检测电压电路图，如图3.2.5.2所示。 图3.2.5.2 检测电路3.2.6单片机通过串口与PC的连接通用串行接口的应用包括RS-232标准结合实现短距离的低速率通信。到现在为止，串口通信还是个人计算机的常用设备最简单、最常用的通信方式。RS-232接口定义及连线：RS-232接口又称之为RS-232口、串口、异步口或一个COM（通信）口。"RS-232"是其最明确的名称。

46、在计算机世界中，大量的接口是串口或异步口，但并不一定符合RS-232标准，但我们也通常认为它是RS-232口。严格地讲RS-232接口是DTE（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有调制解调器（MODEM）和某些交换机COM口是DCE。标准指出DTE应该拥有一个插头（针输出），DCE拥有一个插座（孔输出）。RS232信号的电平（-12V-5V，5V12V）和单片机串口信号的电平（0V3V）不一致，必须进行二者之间的电平转换。在此使用的集成电平转换芯片MAX232为RS232CTTL电平转换芯片。它只使用单5V为其工作，配接

47、4个1F电解电容即可完成RS232电平与TTL电平之间的转换。其原理图如图3.2.6所示。转换完毕的串口信号TXD、RXD直接和ATmega128的串行口连接。RS-232接口中2个数据信号：发送TXD；接收RXD。1个信号地线：GND。 图3.2.6单片机通过串口与PC的连接3.2.7天线的选择 CC2420可以使用不同类型的天线。通信中最常使用的天线是单极天线、螺旋天线和环形天线。单极天线是长度对应电磁波长1/4的谐振天线。下面就是一个简单的天线模型。单极天线的设计简单，可采用一根线简单地实现，甚至可以集成到印制电路板中。对于低功耗应用，使用范围最佳且简单的1/4波长单极天线。1/4波长单

48、极天线的长度为L=7125/f，其中：f的单位是MHz；L的单位是cm。天线必须尽可能靠近集成电路连接。如果天线的位置远离输入引脚，就必须与提供的传输线匹配。在我们的设计中，直接将天线集成到印制板上。图3.2.7 基于CC2420的ZIGBEE传感器网络的节点设计中，处理器ATmega128芯片还保留许多接口，用于JTAGE、ISP等多种编程，如JTAG，它是一种工业测试标准接口，JTAG接口可以用来调试处理器芯片，从硬件上控制处理器芯片的运行流程，包括单步执行、设置断点、读写芯片的内部寄存器和存储器，通过调试接口可以进行Flash编程。4 传感器网络协议IEEE802.15.4/ZigBee

49、IEEE802.15.4/ZigBee在无线通信领域，针对语音、视频、计算机局域网等领域，具有中高数据率的应用都有相应的国际标准。从图4中看，主要的无线技术都集中在1 Mbps以上的速率，新的标准还在追求更高、更快的速率；而IEEE 802.15.4/ZigBee定义的是250kbps的的速率的无线数据通信协议的物理层和MAC 层，恰恰是填补低速率端无线通信技术的空缺。 图4 几种无线技术的比较 为了满足类似于传感器的小型、低成本设备无线联网的要求，于2000年12月成立IEEE802.15.4工作组，致力于定义一个廉价、固定、便携或移动设备使用的，极低复杂度、成本和功耗的低速率无线连接技术。

50、2003年5月IEEE 802.15.4标准正式发布，与此同时，建立在IEEE 802.15.4标准之上的ZigBee标准也于2005年7月确定，负责制定网络层及其以上的协议IEEE 802.15.4/ZigBee。4.1 ZigBee协议的结构IEEE802154满足国际标准组织(ISO)开放系统互联(OSI)参考模式，定义了单一的MAC层和多样的物理层，其结构包括物理层、介质访问层、网络层和高层，zigBee的协议结构如图4.1所示。图4.1ZigBee协议结构4.1.1 物理层IEEE802154共定义了24 GHz、915 MHz和868 MHz这3个工作频带。每个频带提供固定数量的信

51、道，由于物理层都采用直接序列扩频(DSSS)技术。降低了数字集成电路的成本，并且都使用相同的帧结构，以利于低作业周期、低功耗的运作。24 GHz频段(242483 5 GHz)被划分为16个信道，数据传输速率为250 kbps，基于DSSS方法的准正交调制技术，来自PPDU的二进制数据被依次组成4位二进制数据符号。每个数据符号被映射成32位伪噪音CHIP，以便传输。然后这个连续的伪噪音CHIP序列被调制到载波上。即采用半正弦脉冲波形的偏移四相移相键控(O-QPSK)调制方法。其物理层帧结构如图4.1.1所示。图4.1.1中：前导码为4 Byte，主要用于帧同步；帧定界为1 Byte，标志帧的起

52、始；帧长度为1 Byte，指示了数据单元的长度；物理层数据据单元图4.1.1 ZigBee物理层帧结构为0127 Byte，用于承载所要传输的数据，即MAC帧。在IEEE 802.15.4中，总共分配了27个具有二种速率的信道:在2.4 GHz频段有16个速率为250 kbps的信道，在915 MHz频段有10个40 kbps的信道，在868 MHz频段有1个20kbps的信道。一个IEEE 802.15.4网可以根据可用性、拥挤状况和数据速率在27个信道中选择一个工作信道。从能量和成本效率来看，不同的数据速率能为不同的应用提供较好的选择。4.1.2介质访问层(MAC)ZigBee MAC层的

53、设计主要考虑到尽可能的降低成本、易实现和可靠的数据传输，网络中的设备通常可划分为两种类型，一种是全功能器件(FFD)，其功能是网络协调，可以与网络中的任何设备通信；另一种是简化功能器件(RFD)，其功能只能与全功能器件通信，实现简单。IEEE802154 MAC层定义了广播帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧等4种帧类型，其一般帧结构如图4.1.2所示，只有广播帧和数据帧包含了高层控制命令或者数据，确认帧和MAC命令帧则用于ZigBee设备同MAC子层功能实体间控制信息的收发，广播帧和确认帧不需要接收方的确认，而数据帧和MAC命令帧的帧头包含帧控制域，指示收到的帧是否需要确认，如果需要确认并且已经

54、通过了CRC校验，接收方立即发送确认帧。若发送方一定时间内收不到确认帧，则自动重发该帧。正因为ZigBee采用了载波侦听多址冲突避免(CSMACA)的信道接人方式和完全握手协议，使MAC层数据传输是非常可靠的。图4.1.2 MAC帧结构其中帧控制说明了如何看待帧的其余部分及它们包含什么，序列号是传输数据帧及确认帧的序号，仅当确认帧的序列号与上次数据帧的序列号一致时，才判定数据传输业务成功。帧校验是16位循环冗余校验。净荷是MAC帧要承载的上层数据，其长度可变，MAC数据帧被送至物理层，作为物理层帧数据(PPDU)的一部分。4.1.3网络层和应用会聚层网络层包括逻辑链路控制层，8022标准定义了

55、LLC，并且通用于诸如8023、80211及802151等802系列标准中。而MAC层与硬件联系较为紧密，并随不同的物理层的实现而变化。网络层主要采用了基于Ad-hoc技术的网络协议，负责拓扑结构的建立和维护、命名和绑定服务。它们协同完成寻址、路由及安全这些必须的任务。应用会聚层，也就是高层，将主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，具体包括:安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现、业务发现。4.2安全性安全性一直是个人无线网络中的极其重要的话题。IEEE 802.15.4/ZigBee协议使用MAC层的安全机制，来保证MAC命令帧、信标帧和响应帧的安全性。单跳的数据消息是通过对MA

56、C层的安全来做到的，而多跳的消息报文一般是通过更上层(如网络层)的安全机制来保证的。ZigBee的MAC层使用了一种被称为高级加密标准（AES）的算法进行加密的，并且它基于AES算法生成一系列的安全机制，用来保证MAC层帧的机密性、一致性和真实性。虽然这些安全性是在MAC层上进行处理的，但是上一层（网络层）控制着安全性的整个过程，主要包括密钥的产生和安全级别的使用。当MAC层传输（接收）一个带有安全性的帧时，它首先检查该帧的目标地址（源地址），并检索到和该目标地址（源地址）相对应的密钥，然后利用该密钥和相对的安全级别所对应的安全机制来进行逆向处理。每一种安全机制都将对应着一个密钥，而在MAC层

57、帧头中有一位直接指明该帧是否使用安全机制。MAC层安全封装帧结构：·MAC头帧计数器（4Byte）·序列计数器（1Byte）·加密的MAC净负荷·消息完整性代码(MIC)如果应用中有一致性方面的要求，那么在传输一个帧时就可以利用MAC层的头和净荷来计算4字节、8字节或者16字节的消息完整性代码（MIC），MIC直接被加到MAC层净荷的后面，如果有真实性的要求，MAC层的左边会被加入帧和序列记数器，用来对该净荷进行加密，并保证其的新颖性。当接收到包括了MIC的帧时，会对它进行一定的验证；同样如果接收到的帧的净荷被加密，则需要进行一定的解密操作。MAC层的安全性有三种模式：利用了AES进行加密的CTR模式、利用了AES保证一致性的CBC-MAC模式(密码分