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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。同时，zigbee规范与协议日臻完善[2]。从zigbee1.0、zigbee1.1到目前***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。
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***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***结构如图1示。
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。
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i***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 i***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***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***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***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***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。
CC2530 是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了***的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 有四种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB 的闪存。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。
CC2530F256 结合了德州仪器的业界***的黄金单元ZigBee 协议栈（Z-Stack™），提供了一个强大和完整的ZigBee 解决方案。
CC2530F64 结合了德州仪器的黄金单元RemoTI，更好地提供了一个强大和完整的ZigBee RF4CE 远程控制解决方案。编辑本段引脚描述
引脚名称 引脚 引脚类型 描述
***DD1 28 电源（模拟） 2-V–3.6-V 模拟电源连接
***DD2 27 电源（模拟） 2-V–3.6-V 模拟电源连接
***DD3 24 电源（模拟） 2-V–3.6-V 模拟电源连接
***DD4 29 电源（模拟） 2-V–3.6-V 模拟电源连接
***DD5 21 电源（模拟） 2-V–3.6-V 模拟电源连接
***DD6 31 电源（模拟） 2-V–3.6-V 模拟电源连接
DCOUPL 40 电源（数字） 1.8V 数字电源去耦。不使用外部电路供应。
DVDD1 39 电源（数字） 2-V–3.6-V 数字电源连接
DVDD2 10 电源（数字） 2-V–3.6-V 数字电源连接
GND - 接地 接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面。
GND 1，2，3，4 未使用的引脚 连接到GND
P0_0 19 数字I/O 端口0.0
P0_1 18 数字I/O 端口0.1
P0_2 17 数字I/O 端口0.2
P0_3 16 数字I/O 端口0.3
P0_4 15 数字I/O 端口0.4
P0_5 14 数字I/O 端口0.5
P0_6 13 数字I/O 端口0.6
P0_7 12 数字I/O 端口0.7
P1_0 11 数字I/O 端口1.0-20-mA 驱动能力
P1_1 9 数字I/O 端口1.1-20-mA 驱动能力
P1_2 8 数字I/O 端口1.2
P1_3 7 数字I/O 端口1.3
P1_4 6 数字I/O 端口1.4
P1_5 5 数字I/O 端口1.5
P1_6 38 数字I/O 端口1.6
P1_7 37 数字I/O 端口1.7
P2_0 36 数字I/O 端口2.0
P2_1 35 数字I/O 端口2.1
P2_2 34 数字I/O 端口2.2
P2_3 33 数字I/O 模拟端口2.3/32.768 kHz XOSC
P2_4 32 数字I/O 模拟端口2.4/32.768 kHz XOSC
RBIAS 30 模拟I/O 参考电流的外部精密偏置电阻
RESET_N 20 数字输入 复位，活动到低电平
RF_N 26 RF I/O RX 期间负RF 输入信号到LNA
cc2530功能引脚图
RF_P 25 RF I/O RX 期间正RF 输入信号到LNA
XOSC_Q1 22 模拟I/O 32-MHz 晶振引脚1或外部时钟输入
XOSC_Q2 23 模拟I/O 32-MHz 晶振引脚2编辑本段功能介绍·RF/布局
–适应2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收发器
–极高的接收灵敏度和抗干扰性能
–可编程的输出功率高达4.5 dBm
–只需***的外接元件
–只需一个晶振，即可满足网状网络系统需要
–6-mm ×6-mm 的QFN40 封装
–适合系统配置符合世界范围的无线电频率***：ETSI EN 300 328 和EN 300440（欧洲），FCC CFR47 第15 部分（美国）和ARIB STD-T-66（日本）·低功耗
–主动模式RX（CPU 空闲）：24 mA
–主动模式TX 在1dBm（CPU 空闲）：29mA
–供电模式1（4 μs 唤醒）：0.2 mA
–供电模式2（睡眠定时器运行）：1 μA
–供电模式3（外部中断）：0.4 μA
–宽电源电压范围（2 V–3.6 V）·微控制器
–优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051 微控制器内核
–32-、64-或128-KB 的系统内可编程闪存
–8-KB RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力
–支持硬件调试·外设
–强大的5 通道DMA
–IEEE 802.5.4 MAC 定时器，通用定时器（一个16 位定时器，一个8 位定时器）
–IR 发生电路
–具有捕获功能的32-kHz 睡眠定时器
–硬件支持C***A/CA
–支持***的数字化RSSI/LQI
–电池监视器和温度传感器
–具有8 路输入和可配置分辨率的12 位ADC
–AES 安全协处理器
–2 个支持多种串行通信协议的强大USART
–21 个通用I/O 引脚（19×4 mA，2×20 mA）
–看门狗定时器编辑本段运行条件
cc2530在此条件下运行能达到***好的效果。
***小值
***大值
单位
运行环境温度
-40
125
℃
运行供电电压
2
3.6
V
编辑本段应用
·2.4-GHz IEEE 802.15.4 系统
·RF4CE 远程控制系统（需要大于64-KB闪存）
·ZigBee 系统（256-KB 闪存）
·家庭/楼宇自动化
·照明系统
·工业控制和监控
·低功耗无线传感网络
·消费型电子
·******编辑本段电路描述
下图是CC2530 的方框图，图中模块大致可以分为三类：CPU 和内存相关的模块；外设、时钟和电源管理相关的模块，以及无线电相关的模块。
编辑本段模块说明
CPU 和内存
CC253x芯片系列中使用的8051 CPU内核是一个单周期的8051兼容内核。它有三种不同的内存访问总线（SFR，DATA 和CODE/XDATA），单周期访问SFR，DATA 和主SRAM。它还包括一个调试接口和一个18 输入扩展中断单元。
中断控制器总共提供了18 个中断源，分为六个中断组，每个与四个中断优先级之一相关。当设备从活动模式回到空闲模式，任一中断服务请求就被激发。一些中断还可以从睡眠模式（供电模式1-3）唤醒设备。
内存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR 总线把CPU 和DMA 控制器和物理存储器以及所有外设连接起来。内存仲裁器有四个内存访问点，每次访问可以映射到三个物理存储器之一：一个8-KB SRAM、闪存存储器和XREG/SFR 寄存器。它负责执行仲裁，并确定同时访问同一个物理存储器之间的顺序。
8-KB SRAM映射到DATA存储空间和部分XDATA存储空间。8-KB SRAM是一个超低功耗的SRAM，即使数字部分掉电（供电模式2 和3）也能保留其内容。这是对于低功耗应用来说很重要的一个功能。
32/64/128/256 KB闪存块为设备提供了内电路可编程的非易失性程序存储器，映射到XDATA 存储空间。除了保存程序代码和常量以外，非易失性存储器允许应用程序保存必须保留的数据，这样设备重启之后可以使用这些数据。使用这个功能，例如可以利用已经保存的网络具体数据，就不需要经过完全启动、网络寻找和加入过程。
时钟和电源管理
数字内核和外设由一个1.8-V 低差稳压器供电。它提供了电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗运行。有五种不同的复位源来复位设备。
外设
CC2530 包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发***的应用。
调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。通过这个调试接口，可以执行整个闪存存储器的擦除、控制使能哪个振荡器、停止和开始执行用户程序、执行8051 内核提供的指令、设置代码断点，以及内核中全部指令的单步调试。使用这些技术，可以很好地执行内电路的调试和外部闪存的编程。
设备含有闪存存储器以存储程序代码。闪存存储器可通过用户软件和调试接口编程。闪存控制器处理写入和擦除嵌入式闪存存储器。闪存控制器允许页面擦除和4 字节编程。
I/O控制器负责所有通用I/O引脚。CPU可以配置外设模块是否控制某个引脚或它们是否受软件控制，如果是的话，每个引脚配置为一个输入还是输出，是否连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。CPU 中断可以分别在每个引脚上使能。每个连接到I/O 引脚的外设可以在两个不同的I/O 引脚位置之间选择，以确保在不同应用程序中的灵活性。
系统可以使用一个多功能的五通道DMA控制器，使用XDATA存储空间访问存储器，因此能够访问所有物理存储器。每个通道（触发器、优先级、传输模式、寻址模式、源和目标指针和传输计数）用DMA 描述符在存储器任何地方配置。许多硬件外设（AES 内核、闪存控制器、USART、定时器、ADC 接口）通过使用DMA 控制器在SFR 或XREG 地址和闪存/SRAM 之间进行数据传输，获得***率操作。定时器1 是一个16 位定时器，具有定时器/PWM 功能。它有一个可编程的分频器，一个16 位周期值，和五个各自可编程的计数器/捕获通道，每个都有一个16 位比较值。每个计数器/捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。它还可以配置在IR产生模式，计算定时器3 周期，输出是ANDed，定时器3 的输出是用***小的CPU 互动产生调制的消费型IR 信号。
MAC定时器（定时器2）是专门为支持IEEE 802.15.4 MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器有一个可配置的定时器周期和一个8 位溢出计数器，可以用于保持跟踪已经经过的周期数。一个16 位捕获寄存器也用于记录收到/发送一个帧开始界定符的***时间，或传输结束的***时间，还有一个16 位输出比较寄存器可以在具体时间产生不同的选通命令（开始RX，开始TX，等等）到无线模块。定时器3 和定时器4 是8 位定时器，具有定时器/计数器/PWM 功能。它们有一个可编程的分频器，一个8 位的周期值，一个可编程的计数器通道，具有一个8 位的比较值。每个计数器通道可以用作一个PWM 输出。
睡眠定时器是一个超低功耗的定时器，计算32-kHz 晶振或32-kHz RC 振荡器的周期。睡眠定时器在除了供电模式3 的所有工作模式下不断运行。这一定时器的典型应用是作为实时计数器，或作为一个唤醒定时器跳出供电模式1 或2。
ADC支持7到12位的分辨率，分别在30 kHz或4 kHz的带宽。DC和音频转换可以使用高达八个输入通道（端口0）。输入可以选择作为单端或差分。参考电压可以是内部电压、***DD 或是一个单端或差分外部信号。ADC 还有一个温度传感输入通道。ADC 可以自动执行定期抽样或转换通道序列的程序。
随机数发生器使用一个16 位LFSR 来产生伪随机数，这可以被CPU 读取或由选通命令处理器直接使用。例如随机数可以用作产生随***钥，用于安全。
AES加密/***内核允许用户使用带有128位密钥的AES算法加密和***数据。这一内核能够支持IEEE 802.15.4 MAC 安全、ZigBee 网络层和应用层要求的AES 操作。
一个内置的看门狗允许CC2530 在固件挂起的情况下复位自身。当看门狗定时器由软件使能，它必须定期清除；否则，当它超时就复位它就复位设备。或者它可以配置用作一个通用32-kHz 定时器。
USART 0和USART 1每个被配置为一个SPI主/从或一个UART。它们为RX和TX提供了双缓冲，以及硬件流控制，因此非常适合于高吞吐量的全双工应用。每个都有自己的高精度波特率发生器，因此可以使普通定时器空闲出来用作其他用途。
无线设备
CC2530 具有一个IEEE 802.15.4 兼容无线收发器。RF 内核控制模拟无线模块。另外，它提供了MCU 和无线设备之间的一个接口，这使得可以发出命令，读取状态，自动操作和确定无线设备事件的顺序。无线设备还包括一个数据***滤和地址识别模块。
CC2530F256 概述
The CC2530F256 is a true system-on-chip （SoC） solution for IEEE 802.15.4, Zigbee ａnd RF4CE applicati***. It enables robust network nodes to be built with very low total bill-of-material costs. The CC2530F256 combines the excellent performance of a leading RF transceiver with an industry-standard enhanced 8051 MCU, in-system programmable flash memory, 8-KB RAM, ａnd many other powerful features, with 256 KB of flash memory.
The CC2530F256 has various operating modes, making it highly suited for systems where ultralow power c***umption is required. Short transition times between operating modes further ensure low energy c***umption.
CC2530F256 性能
RF/Layout
2.4-GHz IEEE 802.15.4 Compliant RF Transceiver
Excellent Receiver Sensitivity ａnd Robustness to Interference
Programmable Output Power Up to 4.5 dBm
Very Few External Components
Only a Single Crystal Needed for Asynchronous Networks
6-mm × 6-mm QFN40 Package
Suitable for Systems Targeting Compliance With Worldwide Radio- Frequency Regulati***: ETSI EN 300 328 ａnd EN 300 440 （Europe）, FCC CFR47 Part 15 （US） ａnd ARIB STD-T-66 （Japan）
Low Power
Active-Mode RX （CPU Idle）: 24 mA
Active Mode TX at 1 dBm （CPU Idle）: 29 mA
Power Mode 1 （4 µs Wake-Up）: 0.2 mA
Power Mode 2 （Sleep Timer Running）: 1 µA
Power Mode 3 （External Interrupts）: 0.4 µA
Wide Supply-Voltage Range （2 V–3.6 V）
Microcontroller
High-Performance ａnd Low-Power 8051 Microcontroller Core, With Code Prefetch
256 KB In-System-Programmable Flash
8-KB RAM With Retention in All Power Modes
Ha***are Debug Support
Peripherals
Powerful Five-Channel DMA
Integrated High-Performance Op-Amp ａnd Ultralow-Power Comparator
IEEE 802.15.4 MAC Timer, General-Purpose Timers （One 16-Bit, Two 8-Bit）
IR Generation Circuitry
32-kHz Sleep Timer With Capture
C***A/CA Ha***are Support
Accurate Digital RSSI/LQI Support
Battery Monitor ａnd Temperature Sensor
12-Bit ADC With Eight Channels ａnd Configurable Resolution
AES Security Coprocessor
Two Powerful USARTs With Support for Several Serial Protocols
21 General-Purpose I/O Pins （19 × 4 mA, 2 × 20 mA）
Watchdog Timer
Applicati***
2.4-GHz IEEE 802.15.4 Systems
RF4CE Remote Control Systems （64-KB Flash ａnd Higher）
ZigBee Systems （256-KB Flash）
Home/Building Automation
Lighting Systems
Industrial Control ａnd Monitoring
Low-Power Wireless Sensor Networks
C***umer Electronics
Health Care
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