zigbee网络拓扑结构及节点设计

 

　　1 引言

　　基于zigbee技术的无线传感器网络适用于网点多、体积小、数据量小，传输可靠、低功耗等场合，在环境监测、无线抄表、智能小区、工业控制等领域已取得一席之地[1]。同时，zigbee规范与协议日臻完善[2]。从zigbee1.0、zigbee1.1到目前最新的zigbee2007/pro，zigbee协议规范的演进对硬件系统提出了更高的要求[3]。

　　2 设计要求

　　2.1 zigbee网络结构

　　从网络结构上看，zigbee网络有星形，树形，网状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点(ep)、路由器节点(rp)和协调器节点(cp)3种[2]。其组织结构如图1示。

　　

 

　　图1 zigbee网络拓扑结构

　　其中，协调器节点负责发起并维护一个无线网络，识别网络中的设备加入网络;路由器节点支撑网络链路结构，完成数据包的转发;终端节点是网络的感知者和执行者，负责数据采集和可执行的网络动作[2]。这就要求zigbee网络节点需扮演终端感知者、网络支持者、网络协调者3种角色。

　　从功能上，zigbee节点应由微控制器模块、存储器、无线收发模块、电源模块和其它外设功能模块组成。其结构如图2所示。

　　

 

　　图2 zigbee网络节点模块图

　　其中，包括dma、usart模块、定时器模块、a/d模块在内的丰富的外设功能来满足网络对硬件资源的需求，存储器模块完成协议栈的存储与执行，cpu实现数据的运算与处理，mac定时器用于实现网络同步，使用aes技术对信息进行加密，无线模块完成收据的收发与信息帧控制。

　　2.2 zigbee网络节点设计要求

　　(1)可供选择的无线频段。无线频段的选择要兼具较高的传输速率和较好的绕射性能，同时要具备一定的抗干扰力。2.4ghz频段是ieee 502.15.4定义的工作在ism频段的两个工作频段之一，有16个速率为250kb/s的信道。

　　(2)体积小，成本低，易于大规模布建。zigbee技术较其它无线技术的优势在于自组网，这就需要布建大规模的网络节点，因此成本问题凸显出来，有资料显示：10$左右的zigbee网络节点有较高的性价比。

　　(3)可靠性。与有线传输介质相比，无线信号传输更容易受到衰落、多径和干扰等问题，zigbee网络是工作在2.4ghz ism频段，与其他无线信道之间干扰是不可避免的。为保证网络在有效范围内建立可靠的传输，网络节点应选择合理的信道接入方式，有效减少帧冲突，使用合理的扩频技术。

　　(4)通用性。布建zigbee网络的最终目的是通过网络完成各类操作，主要是i/o操作和a/d操作，这就要求网络节点有一定的通用性，能满足各类传感器和终端设备的操作要求。

　　(5)低功耗，支持电池供电。低功耗是zigbee的重要特征，支持休眠-唤醒模式和引入功率控制机制使设备更加省电。典型的zigbee节点在使用普通电池供电的情况下工作12个月以上。

　　zigbee网络节点的设计应按照上述的原则与规划进行硬件设计和软件设计。

　　3 硬件设计

　　3.1芯片选型

　　zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及zigbee2007协议栈的正常运行[3]。在网络节点的硬件设计中可以根据成本与操作可行性等因数选择不同的的设计方案，本设计选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案。

　　设计选用ti公司最新zigbee芯片cc2530f256，工作在2.4ghz频段，是符合ieee 802.15.4规范的真正片上系统解决方案，也是目前众多zigbee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。其主要特性如下：

　　(1)片内集成增强型高速8051内核处理器，支持代码预取;256kflash程序存储器，支持最新zigbee2007pro协议;8k数据存储器;支持硬件调试[3]。

　　(2)支持2v-3.6v供电区间，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2ma、睡眠模式1ua、中断模式0.4ua。包括处理器和智能片内外设在内的模块，具有超低功耗的特点[3]。

　　(3)片内集成5通道dma;mac定时器;1个16位、两个8位普通定时器;32khz睡眠定时器;电源管理与片内温度传感器;8通道12位ad转换器;看门狗等智能外设[3]。高密度集成化电路节约设计成本。

　　(4)应用范围包括2.4g-hz ieee 802.15.4系统、rf4ce远程控制系统、zigbee网络、家居自动化、照明系统、工业测控、低功耗wsn等领域[3]。

　　cc2530芯片结构如图3所示。

　　

 

　　图3 cc2530片内功能模块图

　　3.2硬件整体设计

　　在网络节点硬件平台中，cc2530需要实现的功能以及外围模块主要有3个部分：通过a/d口控制传感器模块进行数据采集;控制无线rf模块完成数据收发;通过i/o口相应主机控制。传感器采集的数据也可通过i/o口与微处理器相连，通过rs232接口可实现网络节点与pc机的通信[3]。外围硬件电路原理图如图4所示。

　　

 

　　图4 网络节点硬件参考电路图

　　由于cc2530芯片内集成了许多特色功能模块，因此，其典型的外围电路也就非常简洁。其中，主时钟晶振采用32mhz无源晶振以及32.768khz时钟晶振;无线rf模块外围电路采用无巴伦的阻抗匹配网络，天线使用50欧鞭状负极性天线，具体的元器件封装信息参见附表所示。

　　

 

　　附表 网络节点封装信息表

　　为了更好提高芯片内部电压精度，输入电压应采用调制后的3.3v稳压电源，接内部参考电压的外围电阻r301精度要在0.5%以上，且选用质量较好的电感、电容等器件。为了指示网络节点的运行状态，在硬件设计中加入两个状态指示灯，使用220欧的限流电阻，分别接在微处理器芯片的p10、p11口，用于指示设备入网、退网等状态，方便开发人员观察，指示灯为可选电路，可根据需求选择使用。

　　3.3 pcb设计

　　cc2530的zigbee网络节点pcb设计是硬件设计的关键，它同时具备数字电路与高频电路的特点。在元件布局尽量紧凑、美观;在数字信号线走线上做到自然、平滑;高频部分包括匹配电感、电容布局尽量独立、避免干扰，并符合天线特性;节点接口分布采用ti标准接口形式，结构稳固可靠。由于cc2530集无线收发和微处理器于一体，只需要极少的外围辅助电路[3]，因此pcb的设计要完全适合无线传感器网络应用。本设计中zigbee网络节点pcb图和实物如图5所示。pcb板的尺寸为长宽高25mm×41mm×1.6mm，接口为11×2双排插针，间距2.54mm。接口管脚定义为ti的标准接口。

　　

 

　　图5 通信模块图

　　3.4 硬件测试

　　经实地测量，在不加功率增益的情况下有效传输距离120米;最大输出功率10dbm;接收灵敏度-97dbm;功耗方面：接收模式24ma，发送模式29ma，低功耗模式0.4ua。该设备具有功能模块专一、接口稳固通用的特点，8路模拟量输入接口，4路数字量输入输出接口，2路数字量输出接口和1个rs232接口。

　　4 结束语

　　本文介绍了zigbee网络节点设计要求、性能特点与构建框架和较为详尽的设计过程;给出了外围电路的设计以及实际设计出的实物和元器件参数;无线射频部分的特点和pcb设计中的注意事项。