基于CC2420的无线网络节点设计

1  引言

　　射频收发器CC2420应用Chipcon公司的SmartRF03技术，采用0.18μmCMOS工艺，只需极少的外部元件，性能稳定且功耗极低，同时集成所有ZigBee技术优点，可快速应用到建筑自动化网络、住宅安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设等ZigBee产品中，也可以替代现有的控制网络技术（例如RS-422、RS-485）和有线监视方案。

　　由于无线传感器网络在通信上消耗较大能量，选用功耗较小的PIC18F4620单片机为处理器，以及选用CC2420为通信器件，设计无线网络节点，因此，这里提出一种基于CC2420的ZigBee无线网络节点的设计方案。

　　2  CC2420简介

　　CC2420有33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、1个128字节的RXRAM、1个128字节的TXRAM、1个112字节的安全信息存储器。TX和RXRAM的存取可通过地址或者用2个8位的寄存器实现，而采用后者访问内存与访问FIFO缓冲区一样，不能读取/写入任何数据到安全信息RAM，也不能把TXRAM和RXRAM作为内存访问，只能以FIFOS的方式访问，而对寄存器的操作则可通过SPI接口以从属方式使用。

　　CC2420内置一个低中频接收器，负责处理天线接收到的RF信号，经低噪声放大器（LNA）放大，并通过I/Q正交平衡电路降频转换为2MHz的中频信号。该信号再经滤波、放大、A/D转换、自动增益控制、信道过滤、解扩频、符号相关和字节同步等恢复出正确的数据。当发送数据时，应先把要发送的数据放入容量为128字节的发送缓冲区。报头和起始帧由硬件自动生成。CC2420的内部结构其性能特点如下：免执照频段：工作频带范围为2.400～2.4835GHz；数据传输速率低：2M/s直接扩频序列基带调制解调和250Kbits的有效数据速率；低电流消耗和高接收灵敏度：接收19.7mA，发射17.4mA，接收灵敏度为-94dBm；高可靠性：

　　采用了CSMA/CA技术避免发送数据的竞争和冲突，MAC层采用完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；安全性高：基于CRC（循环冗余校验）的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用高级加密标准（AES2128）的对称密码，保证数据安全传输；小尺寸封装：QLP-48封装，7mm×7mm；接口配置简单：与微处理器的接口配置简易（4总线SPI接口）。

　　3  ZigBee无线网络节点硬件设计

　　根据ZigBee传感器网络节点管理机制，把节点分成传感器节点、簇头节点和汇聚节点3种类型。当节点作为传感器节点时，主要是通过传感器采集周围环境的数据（温度、位移、光感度和湿度等），然后进行A/D转换，由处理器处理，最后由射频模块发送到相邻节点，同时该节点也要执行数据转发功能，即把相邻节点发送的数据发送到汇聚节点或离汇聚节点更近的节收稿日期点；当节点作为簇头节点时，主要是收集该簇内所有节点所采集到的信息，经数据融合后，发往汇聚节点；当节点作为汇聚节点时，其主要功能就是连接传感器网络与外部网络（如Internet），将传感器节点采集到的数据通过互联网或卫星发送给用户。虽然节点的功能有所不同，但硬件电路基本一致。

　　设计选用PIC18系列的单片机+CC2420解决方案，因此要创建ZigBee传感器节点必须具备以下组件：传感器设备，带SPI接口的PIC18F4620单片机，带有所需外部元件的CC2420RF收发器，天线（PCB引线天线或单极天线），3.3V稳压电源。整个硬件系统划分为数据采集、数据处理、射频和供电4个模块，如图1所示。

 

　　3.1 数据采集模块

　　数据采集模块是应用传感器件监测外部环境，比如温度、湿度、液位、位移、转速等模拟参数，然后通过A/D转换送给单片机进行处理。

　　3.2 数据处理模块

　　处理器是整个节点的中心，其他模块都要通过处理器控制，因此处理器性能的好坏决定整个节点的性能。处理器采用PIC18F4620型单片机，它具有13路通道的10位模数转换模块，2.0～5.5V宽工作电压，内嵌用于存储数据的3986字节SRAM和用于存储程序代码的64K字节Flash，JTAG程序下载和在线调试接口，支持4线SPI和I2C主从模式等特点。