ZigBee网络节点基带处理器的设计与实现
ZigBee网络节点基带处理器的设计与实现
［ ｙｗ ｒｓ ｉＢ ｅ ｒｔｃ ｌＷｉ ｌｓ Ｓ ｎｏ ｅｗｏｋＷ Ｓ ）ｂ ｓｂ ｎ —ｒｃｓｏ Ｋｅ ｏ ｄ ｜Ｚｇ ｅ ｏｏ ｏ； ｒ ｅｓ ｅ ｓｒ ｔ ｒ（ Ｎ ； ａｅ ａｄｐｏｅｓｒ ｐ ｅ Ｎ
１ 概述
随着无线通信技术、智能传感器 技术 以及分布式计算机 技术的高速发展 ，无线 传感器 网络（ ｒｌｓ Ｓ ｎｏ ｅｗ ｒ， Ｗｉ ｅｓ ｅ ｓｒＮ ｔ ｏｋ ｅ
解调 电路 的结构冗余 问题 ，降低 了数字接收机 的信 噪比。设计收 发控制器 完成 发送与接收流程的管理 ， 通过模式切换和软件平 台的优化降
低 了整个节点芯片 的工作 功耗 和面积 。通过 Ａ ｔ ａ ｔ ｔ ８ Ｇ ｌ ｒ Ｓｒ ｉ ０ Ｐ Ａ平台进行测试验证 ，结果符合设计要求 。 ｅ ａ ｘ￥ Ｆ 关键词 ：Ｚｇ ｅ 协议 ；无线传感器 网络 ；基带处理器 ｉ ｅ Ｂ
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第３ 卷 第 １ 期 ４ ７
Ｖ１ ４ ｏ． ３
Ｎ ｏ１７ ．
计
算 机
工
程
２ ０ 年 ９月 ０８
Ｓ ｐｅ ｅ ０ ８ ｅ ｔ ｍｂ ｒ ２ ０
Ｃｏ ｍｐ ｔ ｒＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｕ ｅ ｇｎ ｅ ｉ ｇ
・工程 应用 技术 与 实现 ・
文章编号：１ ０． ２（０） ＿ｏ１— ３ 文献标识码： ０ —３ ８ ０８ ＿２９ ０ ４ ２ １＿ ７ Ａ
中图分类号． Ｎ９ Ｔ ４２
Ｚｇ ｅ ｉＢ ｅ网络节点基带处理器的设计与实现
施 汝杰 ，高佩君 ，田佳音 ，闵 吴
（ 复旦大学专用集成 电路和 系统国家重点实验室 ，上海 ２ １ ０ ） ０２３ 摘 要 ：设计一款新型符合 Ｚｇ ｅ 协议 的无线 传感器 网络节点基带处理器 。提 出一种 Ｏ Ｑ Ｓ ｉ ｅ Ｂ — Ｐ Ｋ非相干解调 的同步相关解码方式 ，解决 了
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现
基于CC2530的Zigbee无线传感网络的设计与实现二、硬件设计1. CC2530芯片CC2530是德州仪器（TI）公司推出的一款具有Zigbee通信功能的片上系统（SoC）芯片，集成了802.15.4无线通信功能以及8051微控制器。
CC2530具有低功耗、快速响应、可靠性高等特点，适合用于构建Zigbee传感网络。
2. 传感器节点传感器节点是Zigbee网络中的重要组成部分，它可以通过各种传感器采集环境信息，并通过无线网络发送到协调器节点。
传感器节点通常包括温度传感器、湿度传感器、光敏传感器等，以满足不同的监测需求。
3. 协调器节点协调器节点是Zigbee网络中的核心节点，负责网络管理、数据协调、安全认证等功能。
在本设计中，我们选择CC2530作为协调器节点的芯片，通过其内置的Zigbee功能实现网络连接和数据传输。
4. 网络拓扑在设计Zigbee无线传感网络时，需要考虑网络拓扑结构，一般可以选择星型、网状或者混合型拓扑结构。
根据实际应用需求，可以灵活选择合适的网络拓扑结构。
三、软件开发1. Zigbee协议栈在基于CC2530的Zigbee无线传感网络中，需要使用Zigbee协议栈来实现Zigbee协议的各层功能，包括PHY层、MAC层、网络层和应用层等。
TI 公司提供了针对CC2530芯片的Z-Stack协议栈，可以帮助开发者快速实现Zigbee通信功能。
2. 网络配置在软件开发过程中，需要对Zigbee网络进行配置，包括节点连接、网络路由、数据传输等方面。
通过Z-Stack协议栈提供的API接口，可以方便地进行网络配置和管理。
3. 数据处理在传感节点和协调器节点之间，需要进行数据的采集、传输和处理。
通过Z-Stack提供的数据传输接口和协议栈功能，可以实现传感数据的采集和传输，以及协调器节点的数据处理和分发。
3. 安全认证在Zigbee网络中，安全认证是至关重要的一环。
通过Z-Stack协议栈提供的安全认证接口，可以实现节点之间的安全通信，保障网络数据的安全性。
基于ZigBee的无线传感网络节点的封装和实现
基于ZigBee的无线传感网络节点的封装和实现韦姗姗;胡圣波【期刊名称】《贵州师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(035)002【摘要】We realize the ZigBee wireless sensor network node encapsulation,by applying CC2530 of TI company as a wireless sensor network node information detection and processing core chip.Based on CC2530 chips,we analyzed DHT11 digital temperature and humidity sensor,sensor node encapsulation ing Altium Designer,complete the encapsulation and implementation of sensor node can be accomplished.The experimental results show that the temperature and humidity after encapsulation of the sensor measuring is consistent with actual weather,and is more sensitive than traditionalthermometer,hygrometer.%采用TI公司的CC2530作为无线传感网络节点的信息检测与处理核心芯片,实现ZigBee无线传感网络节点的封装.在介绍CC2530芯片的基础上,分析了包括DHT11数字温湿度传感器在内的传感节点的封装过程.采用Altium Designer,完成了传感节点的封装和实现.实验结果表明,封装后传感节点测量的温湿度与天气实况一致,比传统温度计、湿度计更灵敏.【总页数】5页(P93-97)【作者】韦姗姗;胡圣波【作者单位】贵州师范大学智能信息处理研究所,贵州贵阳550001;贵州省教育厅射频识别与传感网络工程中心,贵州贵阳550001;贵州师范大学智能信息处理研究所,贵州贵阳550001;贵州省教育厅射频识别与传感网络工程中心,贵州贵阳550001【正文语种】中文【中图分类】TP391【相关文献】1.基于IEEE802.15.4的ZigBee无线传感器网络节点的设计与实现 [J], 吕俊霞;徐珂2.基于ZigBee的无线传感网络节点的设计与实现 [J], 罗回彬;吴方;潘维松;吴婉娜;吴庆光3.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与通信实现 [J], 昂志敏;金海红;范之国;段勇4.基于 ZigBee 的无线传感器网络节点的设计与实现 [J], 于洪波5.基于ZigBee的无线传感网络节点的设计与实现 [J], 罗回彬;吴方;潘维松;吴婉娜;吴庆光因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
ZigBee网络节点基带处理器的设计与实现
2008年9月September 2008计 算 机 工 程Computer Engineering 第34 第17期Vol 卷.34 No.17·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2008)17—0219—03文献标识码：A中图分类号：TN492ZigBee 网络节点基带处理器的设计与实现施汝杰，高佩君，田佳音，闵 昊(复旦大学专用集成电路和系统国家重点实验室，上海 201203)摘 要：设计一款新型符合ZigBee 协议的无线传感器网络节点基带处理器。
提出一种O-QPSK 非相干解调的同步相关解码方式，解决了解调电路的结构冗余问题，降低了数字接收机的信噪比。
设计收发控制器完成发送与接收流程的管理，通过模式切换和软件平台的优化降低了整个节点芯片的工作功耗和面积。
通过Altera Stratix S80 FPGA 平台进行测试验证，结果符合设计要求。
关键词：ZigBee 协议；无线传感器网络；基带处理器Design and Implementation of Baseband-processorfor ZigBee Network NodeSHI Ru-jie, GAO Pei-jun, TIAN Jia-yin, MIN Hao(State Key Laboratory of ASIC & System, Fudan University, Shanghai 201203)【Abstract 】This paper presents a new baseband-processor for Wireless Sensor Network(WSN) node based on ZigBee protocol. A dedicated demodulation architecture based on a non-coherent receiver algorithm is proposed to enhance the receive sensitivity and reduce the circuit redundancy. A new transceiver control unit is designed to manage the whole transmit and receive process. Other techniques, such as operation mode switch, power management, software platform optimization etc. are also implemented to reduce the power consumption as well as chip area. The design is implemented and verified in Altera Stratix S80 FPGA platform. Test results prove its expected functionality and its low power consumption.【Key words 】ZigBee protocol; Wireless Sensor Network(WSN); baseband-processor1 概述随着无线通信技术、智能传感器技术以及分布式计算机技术的高速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)技术逐渐成熟[1-2]。
ZigBee的无线传感器网络节点的设计方案与实现
另一方面，新兴的ZigBee技术具有体积小、无需线缆、可容纳节点数多、工作频段免费、低功耗、安全可靠、具嵌入式智能、可自动动态组网、可互操作、多跳传递、拆装方便等特性，因此十分适合于组建无线网络，本文将讨论一个基于ZigBee技术的无线应变节点网络的设计。
基于ZigBee技术的无线传感器节点的设计思路2005年6月公布的ZigBee/IEEE802.15.4标准采用低数据速率(250kbps)来取代低功耗、低成本和小体积的特性，这使其在所有短程无线技术中具有极大的潜力。
采用在大多数应用可接受的低速率，独特的节能管理(信标唤醒/休眠)技术、减小占空比(2%)以及数据优化融合模式，可以实现无需电源连线的小型电池供电。
通过采用DSSS编码、半正弦脉冲形状的偏移正交相移键控调制、128位加密算法等先进技术，可以保障通信与数据的安全性。
图所示为嵌入式应变传感器节点的内部结构框图，其中内嵌了TI最新单芯片ZigBee SoC的双核多线程结构。
嵌入式应变传感器节点的内部结构框图(内嵌TI最新单芯片ZigBee SoC的双核多线程结构)。
本设计为可外接应变片的开放式传感器，应变测量传感器采集应变片电桥失衡产生的微伏级电压信号，比其它采集毫伏级信号的传感器要复杂得多(如温度、振动、烟尘传感器)，其主要原因是：1. 桥路电流大于10mA时应变片会发热不稳定，因此要求供桥电压低且高度稳定。
从而导致产生信号很小，一般为1με/1μV。
2. 要求可编程信号调节器的放大倍数达到千倍左右，并且具有高稳定性和超低噪声特性。
本设计中采用的是24位A/D及可编程抗混滤波器。
3. 由于应变测量必须根据需要来现场灵活设置测点数量、半桥/全桥、灵数系数、初始值、加载值、多种应变花计算等，大量复杂的分析处理都采用(资源有限的嵌入式节点內嵌)专用MCU来完成。
4. 射频通信必须采用节能的ZigBee芯片，以实现安全可靠的数据传输，其内嵌的MCU将完成复杂的通信及网络管理任务。
zigbee网络拓扑结构及节点设计
zigbee网络拓扑结构及节点设计作者：叶子2 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。
ZigBee网络层的设计与实现
ZigBee 网络层的设计与实现刘市生1,张贤华2(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;2.北京航天飞行控制中心,北京100094)摘 要 ZigBee 是基于IEEE 802.15.4的一种新兴的无线网络技术。
详细介绍了ZigBee 协议栈的架构、层协议的参考模型。
分析了ZigBee 协议网络层关键技术,提出了具体网络层实现方案,并给出了基于该技术的路由过程。
在以TI 公司的CC2430芯片搭建的硬件平台上,测试了基于ZigBee 协议的路由实现。
实验表明,基于ZigBee 协议组建的无线网络,能够实现较复杂网络的路由功能,网络的可扩展性强,具有很好的实用效果。
关键词 LR -WPAN ;ZigBee ;Cluster -Tree ;AODVjr中图分类号 TP393.02 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2008)11-0007-03Design and Implementation of Network Layer in ZigBeeLIU Shi -sheng ,ZHANG Xian -hua 2(1.The 54th Res earch Institute of CETC ,Shijia zhuang H ebei 050002,China ;2.Beijing A eros pace Co ntr ol Center ,Beijing 100094,China )A bstract The paper describes the architecture of ZigBee protocol stack and reference model of layer protocol in detail ,introduces the key technologies of net work layer of ZigBee protocol stack ,and presents the i mplementation scheme of network layer .B y using the hard ware platform built by CC2430C MOS chip ,the establish ment of routing process based on ZigBee has been tested .The experiment indicates the wireless network based on ZigBee protocol can implement the routing function of complex network ,and has the strong expansibility and good practicality .Key words LR -WPAN ;ZigBee ;Cluster -Tree ;AODVjr收稿日期:2008-03-170 引言随着科学技术的发展,无线技术应用越来越广泛,支持静态固定拓扑的无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络取代。
基于CC2420的ZigBee通信节点的设计与实现.
基于CC2420的ZigBee通信节点的设计与实现基于CC2420的ZigBee通信节点的设计与实现类别：通信网络摘要：介绍了利用CC2420 和LPC213X 搭建的符合ZigBee 标准的嵌入式节点，并设计了相应的接口软件。
随着社会的发展，人们对通信技术的要求日益提高，无线通信技术在其中扮演着越来越重要的角色。
ZigBee作为一种国际标准短距离无线通信协议，其协议栈体系结构是基于标准七层开放式系统互联参考模型(OSI) ，IEEE 802.15.4 -2003 标准定义了下面的两层：物理层(PHY) 和媒体接入控制子层。
网络层、应用会聚层、应用层则由ZigBee 联盟制订。
IEEE 802.15.4-2003 有三个PHY 层，包括单个分离的频率范围：868 MHz 、915 MHz 和2.4 GHz 。
低频率PHY 层包括868 MHz 欧洲频段和915 MHz 美国及澳大利亚频段，高频段PHY 层为全球通用。
ZigBee 协议标准具有如下特点：成本低、功耗低、时延短、网络容量大、可靠性高、安全和传输距离远。
Zig-Bee 技术主要应用在短距离范围内的低速率电子设备之间的数据传输，因此非常适用于家电和小型电子设备的无线控制指令传输，其典型的传输数据类型包括周期性数据、间歇性数据和重复低反应时间数据等。
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费类电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
1 CC2420 射频芯片CC2420 是Chipcon 公司( 现被美国德州仪器公司收购) 推出的，用来实现ZigBee 应用的单片RF 收发器，它具有高度集成、低成本、低电压、低功耗等特点，支持2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee 协议，内置数字直接序列扩频调制解调模块，其数据通信速率可达250 Kb/s 。
CC2420 射频芯片的特征如下：第一款真正的2.4 GHz符合IEEE 802.15.4 标准的射频收发器，具备基带调制解调和MAC 层支持功能：自动生成帧引导序列，插入和检测同步字，CRC-16 计算和校验，空闲信道估，接收信号强度指示(RSSI) 和链路质量指示(LQI) 以及三种模式的MAC 安全保护；直接序列扩频(DSSS) 基带调制解调，码片速率达2 MChip/s ，有效数据速率达250 Kb/s ；同时适用于RFD 和FFD；超低电流消耗(RX：18.8 mA，TX：17.4 mA) ；片上稳压器提供2.1~3.6 V 的低电压，外部稳压器提供1.6~2.0 V 的低电压；可编程输出功率；无需外接滤波器，只需要接入晶振和很少的无源元器件；同相信号和正交相位信号低中频接收器和直接升频转换发送；128 B 发送数据缓存，128 B 接收数据缓存；CTR 加密/解密，CBC-MAC 验证，CCM 加密/解密+验证，单独的AES 加密；电源监控；QLP-48 封装，芯片大小为7 mm×7 mm。
基于zigbee的无线网络协调器节点的设计
基于zigbee的无线网络协调器节点的设计近年来，随着物联网的发展，越来越多的技术领域开始使用无线传感器网络，如家庭自动化、智能建筑、智能路灯等。
随着无线网络的发展， Zigbee术也被广泛的应用，由于 Zigbee术的易于实现、低成本等特点，它可以提供更方便的无线数据传输和网络设备间的集成通信。
在这种情况下，设计一种基于 Zigbee无线网络协调器节点显得尤为重要。
一般来说，设计一种基于 Zigbee无线网络协调器节点的基本步骤有三：第一步，根据节点的功能要求，设计 Zigbee线传输协议。
比如，可以根据需求，通过设置信道频率、延迟时间、传输带宽等参数，来实现无线传输协议的设计。
第二步，设计节点的电路框图。
主要包括节点电路上使用的硬件组件、系统总线、处理器和无线模块等，以及控制其工作的软件设计，如蜂窝网络拓扑管理、无线数据通信等。
第三步，实施节点的系统设计。
主要包括节点的外形设计、电源供应、接口和封装等，以及操作系统的安装、应用程序的安装等。
以上就是设计基于 Zigbee无线网络协调器节点的基本步骤。
但是在实际的设计中，还需要考虑其他一些因素，如功耗、信号噪声抑制能力、网络安全性等因素。
此外，在 Zigbee议的设计中，还需要考虑到设备之间的互联性和安全性，以及信号传输的高效性等。
总之，设计基于 Zigbee无线网络协调器节点需要遵循一系列步骤：设计 Zigbee线传输协议、设计节点电路框图、实施节点的系统设计，并考虑到功耗、信号噪声抑制能力、网络安全性、设备之间的互联性和安全性以及信号传输的高效性等因素。
如果能够正确掌握这些关键步骤，才能够有效的实现基于 Zigbee无线网络协调器节点的设计。
Zigbee术是当今全球最受欢迎的无线传感器网络技术之一，它提供了一种低功耗、低延迟、低成本的解决方案，并且具有可编程性、易实施性、易扩展性等特点。
此外，它还具有高度的数据传输速率，可以在一个或多个节点间实现多个无线设备的实时交互。
ZigBee网络层的设计与实现
ZigBee 网络层的设计与实现刘市生1,张贤华2(11中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北石家庄050081;21北京航天飞行控制中心,北京100094)摘 要 ZigBee 是基于IEEE 80211514的一种新兴的无线网络技术。
详细介绍了ZigBee 协议栈的架构、层协议的参考模型。
分析了ZigBee 协议网络层关键技术,提出了具体网络层实现方案,并给出了基于该技术的路由过程。
在以TI 公司的CC2430芯片搭建的硬件平台上,测试了基于Zi gBee 协议的路由实现。
实验表明,基于ZigBee 协议组建的无线网络,能够实现较复杂网络的路由功能,网络的可扩展性强,具有很好的实用效果。
关键词 LR -WPAN;ZigBee;Cluster -Tree;AODVjr中图分类号 TP393102 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2008)11-0007-03Design and Implementation of Network Layer in ZigBeeLIU Sh-i sheng,ZHANG Xian -hua 2(1.The 54th Resea rch Institute o f CETC,Shijia z huang H ebei 050002,China;2.Beijin g Aerospace Con tr ol Center ,Beijin g 100094,China)Abstract The paper describes the architecture of ZigBee protocol stack and reference model of layer protocol in detail,introduces the key technologies of network layer of ZigBee protocol stack,and presents the i mplementation scheme of network layer 1By using the hard ware platform built by CC2430C MOS chip,the establish ment of routing process based on ZigBee has been tes ted 1The experiment indicates the wireless network based on ZigBee protocol can implement the routing function of complex network,and has the strong expansibility and good practicality 1Key words LR -WPAN;ZigBee;Cluster -Tree;AODVjr收稿日期:2008-03-170 引言随着科学技术的发展,无线技术应用越来越广泛,支持静态固定拓扑的无线网络也逐渐被支持动态变化拓扑的无线网络取代。
基于ZigBee的无线传感网络节点的设计与实现
３系统软件设计
３ ． １程 序设 计 思路 篮球 比赛过程 中， 在短 时间内比分会 出现较多 的变化 ， 比分 的
记录就必须快捷 。 同时比赛过程 中会 出现一些让 比赛暂停的情况 ，
因此也需要对计时进 行暂停。 结合实际篮球 比赛中出现 的这些情况 对程序进行相应的设计 。 在 比赛 中有进攻时间的限制 ， 当计时器 降 到零时 ， 还需要加上声音提示裁判 时间到。 ３ ． ２系统 流程 图（ 图４ ）
是从机 。 用于与键盘输入端进行数据传输 ， 也可通过下一步的软件 开发， 与ｗｉ ｎ ｄ ｏ ｗ ｓ 系统 ， Ａ ｎ ｄ ｒ ｏ ｉ ｄ 系统连接 。 从而使操作更简便 。 蓝牙
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上拉 电阻后与Ｃ Ｃ ２ ５ ３ ０ 的引脚Ｐ １ ５ 连接 ， ＤＨ Ｔ１ １ 的ＤＡ Ｔ Ａ（ Ｊ ７ 的引脚２ ） 接上拉 电阻后与Ｃ Ｃ ２ ５ ３ ０ 的引脚Ｐ ０ ７ 相连 。
图 ４ 主程序设计流程
参考文献
［ １ ］ Ｉ Ｅ Ｅ Ｅ Ｓ ｔ ｄ ８ ０ ２ ． １ ５ ． ４ — ２ ０ ０ ６ ［ Ｅ Ｏ Ｌ ］ ． ｈ ｔ ｔ ｐ ： ／ ／ ｗ ｗ ｗ ． ｉ ｅ ｅ ｅ ． ｏ ｒ ｇ ［ ２ ］ Ｚ ｉ ｇ Ｂ ｅ ｅ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｉ ｌ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ２ ０ ０ ５ ［ Ｅ Ｏ Ｌ ］ ． ｈ ｔ ｔ ｐ ： ｌ ｌ ｗ ｗ ｗ ． ｚ ｉ ｇ ｂ ｅ ｅ ． ｏ ｒ ｇ
通信技术
Ｊ 数ａ ￣ － ａ ｔ ｔ ． 术
叶 ； 一
文 中所设计的篮球计时计分系统 因采用无线连接方式， 故数据 接 收 与 蓝 牙 发 送 电路 连 接 方 式 相 同 。 显 示 模 块 采 用 的 是 ２ ０ ｒｍ＊ ａ １ ６ ０ ａｍ的户外Ｌ ｒ Ｅ Ｄ 点 阵。 可根据实际需要使用２ 组或多组点 输入端 键盘功率 较小 可采用锂 电池供 电。 其 结构 框图如（ 图２ ） 所示。 ３
ZigBee之网络解析及实现
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2. ZigBee 组网 .......................................................................................................... 5
2.1
角色介绍 ................................................................................................................... 5
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设计与实现基于ZigBee无线通信的物联网节点系统
设计与实现基于ZigBee无线通信的物联网节点系统随着物联网时代的到来，越来越多的设备需要联网互通，以实现更为智能化的功能。
其中，无线通信技术成为了物联网实现的基石之一。
而ZigBee无线通信技术则因其低功耗、低成本、高可靠性等优点，成为了物联网节点系统中的重要组成部分。
本文将探讨基于ZigBee无线通信的物联网节点系统的设计及实现。
一、系统架构物联网节点系统包括三部分：传感器、ZigBee模块和节点控制器。
传感器采集环境数据，并将数据传输给ZigBee模块。
ZigBee模块负责无线传输数据，同时具有路由功能，可以根据需求与其他模块相互通信。
节点控制器则负责采集、处理和存储传感器数据，并且可以通过无线通信模块与远程服务器进行通信。
二、硬件设计在设计硬件时，需要考虑到节点的功耗、稳定性、安全性和可靠性等因素。
具体设计如下：1.传感器的选择传感器应根据实际使用环境进行选择。
例如，温度传感器可以选择DS18B20，并通过单总线进行连接。
湿度传感器可以选择DHT11或DHT22。
光线传感器可以选择TEMT6000等。
2.ZigBee模块的选择ZigBee模块可以选择XBee系列模块，包括XBee S2和XBee Pro。
其中，XBee Pro的传输距离更大（可达1.6公里），适合于室外环境中使用。
而XBee S2则更为适用于室内环境，传输距离可达50-100米。
在选择时，需要根据实际使用场景进行决策。
3.单片机的选择单片机可以选择Atmel系列，如ATmega328p。
ATmega328p具有8位RISC体系结构，16兆赫主频，可编程Flash存储器等特点，具备较好的稳定性和可靠性。
它可以通过Arduino进行编程，可以在工作状态下对灯光、声音、电机等进行控制。
4.电源管理由于物联网节点系统通常都是由电池供电的，因此需要设计低功耗的硬件，以延长电池的使用寿命。
在系统中，可以添加一个电池电压检测电路。
当电压低于某个阈值时，节点会将数据发送给服务器，并进入睡眠状态。
基于zigbee的无线网络协调器节点的设计
基于zigbee的无线网络协调器节点的设计近年来，随着物联网技术的发展，无线网络的相关应用也越来越广泛。
而Zigbee技术作为一种无线网络技术，其低功耗节点设备、灵活的组网结构以及高安全性等特点，使得它在无线网络领域的应用越来越广泛。
本文主要从Zigbee的技术特点及其在无线网络领域的应用出发，着重讲解基于Zigbee的无线网络协调器节点的设计及其应用。
一、Zigbee技术概述Zigbee是一种射频（Radio Frequency，RF）无线技术，它采用IEEE802.15.4标准，具有灵活的网络结构，低功耗，安全性高等技术特点，在广播、组播以及多级网络传输中有更好的性能，可以同时支持多种类型的网络协议，支持多种传输格式，因此，Zigbee 技术应用广泛。
Zigbee网络可以采用多种结构，大多数系统都是采用“星形网络拓扑”，即将所有节点连接到一个中心协调器，或者采用多级网络拓扑，即把一组节点连接到一个中心协调器，再把一组中心协调器连接到另一个中心协调器，从而形成一个多层网络拓扑。
而中心协调器节点，则在网络拓扑中扮演着重要的角色，其主要负责数据的收发，网络的建立以及节点管理等工作。
二、基于Zigbee的无线网络协调器节点的设计1.设网络基于Zigbee的无线网络协调器节点的设计，首先要对网络进行架设，具体步骤如下：a)先，将中心协调器节点连接到网络拓扑中，并配置相关的属性参数，包括通道、地址、加密等；b)后，根据所需网络拓扑，依次添加网络节点，并建立节点间的连接；c)网络架设完成之后，可以对网络进行测试，以保证网络质量；d)后，配置好安全性参数。
2.络管理在无线网络管理方面，中心协调器节点可以实现以下功能：a)行网络资源管理，如通道、地址、加密等，以及节点状态监测；b)节点提供一定的“智能化”服务，如手动升级节点软件，节点控制等；c)持节点间的通信，以及实现路由信息的传递等。
三、应用实例基于Zigbee的无线网络协调器节点可以用于各种无线网络应用领域，如智能家居、工业智能控制、智能安防等。
基于ZigBee的无线通信网络节点设计与组网实现
基于ZigBee的无线通信网络节点设计与组网实现王延年;乔桂娜【摘要】针对在恶劣环境中ZigBee网络节点繁多、网络复杂和成本高的弊端,提出一种基于超低功耗单片机MSP430和射频芯片CC2430的无线传感器网络节点设计.应用射频前端芯片CC2591提高发射功率和接收灵敏度,从而延长传输距离.测试结果表明,网络节点上增加单片机和射频前端使得网络工作更稳定,并使网络覆盖范围扩大.%In order to overcome the weakness of large ZigBee node, complex network and high cost in the harsh environment, a design of wireless sensor network node based on super low power consumption MCU MSP430 and RF chip CC2430 is proposed, and RF front-end CC2591 is used to improve the transmission power and receive sensitivity , thus extending the transmission distance. The test results show that the stability of the system is improved and network coverage is increased because of the MCU and the RF front-end.【期刊名称】《纺织高校基础科学学报》【年(卷),期】2012(025)001【总页数】5页(P97-101)【关键词】ZigBee技术;无线传感器网络;射频前端CC2591;网络覆盖范围【作者】王延年;乔桂娜【作者单位】西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048;西安工程大学电子信息学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TN920 引言在标准众多的短距离无线通信领域，Zig Bee技术的发展速度已经远远超过了蓝牙等无线技术．目前，Zig Bee技术已广泛应用到工业控制、农业生产、军事管理、环境保护、智能家居等领域，而且具有被应用到更多领域的趋势［1］．当ZigBee网络应用于比较复杂、障碍物较多的环境中时，无线信号干扰较严重，为保证数据的可靠有效传输，往往依靠增加路由节点的数量，从而增加了网络的复杂度和网络成本．为解决以上问题，本文分别设计并实现了终端节点、路由节点和协调器节点的硬件结构和组网的软件流程，并根据测试结果对节点性能进行了分析总结．射频收发芯片采用CC2430，在协调器节点和路由节点上增加了CC2591作为射频前端，提高发送功率和接收灵敏度，增加传输距离以增加网络覆盖范围；在传统协调器节点基础上增加低功耗单片机MSP430F149用于控制，CC2430只用于透明数据传输，缓解了系统压力并增强了系统稳定性．1 元器件选型本文选用的主要元器件有CC2430、CC2591和MSP430F149等3种芯片均由TI 公司推出．CC2430是首款符合ZigBee标准的2．4 GHz系统单射频芯片．内部集成了CC2420RF收发器、增强工业标准的8051 MCU和高级加密技术标准AES－128协处理器等高性能模块，并内置Zig Bee协议栈，加上超低能耗，完全满足Zig Bee网络低成本的要求［2］．CC2591是用于2．4 GHz无线应用的低成本、高性能射频前端．输出功率高达22d Bm，对于部分2．4 GHz低功耗射频设备的接收灵敏度可改进6d B，增加了节点的传输距离［3］．MSP430F149是16位超低功耗混合信号微控制器．具有5种可选低功耗模式，丰富的内部硬件资源［4］．可简化接口设计，减少元件数量和功耗，也提高了系统的可靠性．2 网络结构Zig Bee网络拓扑结构包括星型、对等网络．对等网络又分为网状和树状网络［5］．3种网络拓扑结构如图1所示．本文选择的是树状网络，设备包括：协调器节点、路由节点和终端节点．为降低成本，改善发送功率、接收灵敏度和系统稳定性，分别针对终端节点、路由节点和协调器节点设计了不同的硬件框图．图1 Zig Bee网络拓扑结构2．1 终端节点通常网络中用到大量的终端节点，降低网络成本关键在于降低终端节点的成本［6］．设计了精简结构电路，降低了硬件复杂度，从而满足低功耗和低成本的要求．终端节点框图如图2所示．CC2430作为核心器件以射频模式接收和发送数据；传感器负责实时采集现场信息；供电单元负责对各单元供电，由于终端节点长期为休眠状态，功耗小，采用普通干电池可满足它的电源需求；JTAG接口用于调试和下载程序；串口用于与上位机通信；还包括32 MHz系统时钟和32．768k Hz实时时钟；天线采用外接的单极天线．图2 终端节点结构框图图3 协调器节点和路由节点框图2．2 大功率路由节点和协调器节点采用CC2430作透明传输，MSP430F149为核心控制，缓解网络节点的压力，提高系统的稳定性．CC2591输出功率高达22d Bm，对于CC2430的接收灵敏度可改进6d B，极大地扩展了传输距离和网络覆盖范围．系统还具有存储信息、显示、报警和在线调试功能．协调器节点利用单片机通过串口与上位计算机通信．MSP430F149具有2路TTL电平的串行接口：USART0和USART1．USART支持同步SPI（3或4个引脚）和异步UART通信协议［7］．CC2430芯片支持TTL电平的串行接口，所以无需进行接口转换，就可以进行通信．协调器节点和路由节点框图如图3所示．CC2591与CC2430的部分原理图如图4所示．其中，RF－P与RF－N为射频接口用于收发信号；RXTX作为RXTX－SWITCH供电电压；HGM、EN、PA－EN 引脚连接到CC2430闲置的I／O口，由单片机来控制．HGM为高电平，表示CC2591接收时LNA是高增益模式；HGM为低电平，表示CC2591接收时LNA 是低增益模式．CC2591正常工作时，EN和PAEN引脚置为高电平，CC2591进入低功耗时，将其置为低电平以降低功耗．为确保从CC2591获得最佳增益，增加去耦电容C10、C11、C12、C13、C15、C16以及传输线TL11、TL101、TL131作为射频负载，C14用作滤波电容，R4为偏置电阻．CC2591与天线间的网络使得CC2591和50Ω负载匹配．3 系统软件本系统利用IAR Embedded Wor kbench开发环境进行软件设计，利用C语言进行编程．主要软件程序包括：单片机的驱动程序和Zig Bee网络节点程序．图4 CC2591与CC2430的部分连接图软件开发是建立在TI公司的Z－Stack基础上的．Zig Bee2006协议栈在内部嵌入了OSAL（Operating Syste m Abstraction Layer）轮转查询式操作系统．Zig Bee2006协议栈的main函数首先完成系统初始化，包括系统时钟、堆栈、定时器、硬件模块和协议等，然后执行操作系统入口函数osal－start－system （）．OSAL通过osal－add－task向任务表数组中添加任务，形成一个任务链表．系统以一个无限循环的形式工作．在循环体当中不断地查询是否有任务要执行，如果事件发生，则按照优先级去执行．main函数部分程序如下：ZSEG int main（void）｛osal－int－disable（INTS－ALL）；／／关闭中断HAL－BOARD－INIT（）；／／初始化系统时钟z main－vdd－check（）；／／电压检测…osal－start－system（）；／／执行操作系统｝3．1 单片机流程单片机软件流程如图5所示．微处理器上电复位后，首先进行初始化，包括I／O，ADC和串口等．然后进入低功耗模式，当有上位机指令或有传感器、子节点发送的数据请求时，便产生中断，使单片机进入正常工作模式，执行指令相应动作或者接收数据并将数据传送给CC2430，通过Zig Bee网络传给上位机，协调器节点则直接传送给上位机．3．2 节点组网流程ZigBee网络采用树状网络拓扑结构，实现自组网、路由转发、节点入网和数据收发功能［8］．网络组建主要包括协调器建立网络、路由节点和终端设备加入网络过程．在开发环境参数配置中，首先对ZCD－NVLOGICAL－TYPE进行设置，将设备分别按照其类型配置为协调器节点、路由节点和终端节点．协调器建立网络以后，其他节点将选择加入网络．参数ZCD－NV－CHANLIST负责指定通道，参数ZCD－NV－PANID负责指定网络ID．协调器在其中选择出最优的通道，并确定网络ID．路由节点和终端节点将扫描已经制定好的通道，并试图发现指定ID的网络．网络中用ZDO－Start Device函数启动协调器、路由器、终端设备，启动成功后，设备根据自身的类型去实现各自的功能．协调器节点负责建立网络，处理子节点入网以及收集信息并传给上位机．路由节点的功能是中继和转发信息，扩大网络的覆盖范围．同时，还负责维护网络正常通信，所以不能定时进入休眠状态．终端节点加入网络成功后进入休眠，定时采集数据并将数据发送给父节点．各节点的工作流程图分别如图6，7，8所示．图5 单片机软件流程图图6 协调器节点流程图图7 路由节点流程图图8 终端节点流程图4 测试结果及分析实验测试结果，用卷尺测得终端节点与协调器节点直接通信距离为140 m，而两者通过路由通信距离将扩展到450 m，路由节点和协调器节点直接通信距离近300 m，通信成功率可达98．3%，说明增加大功率路由节点后传输距离增大，通信质量提高，网络覆盖范围扩大．加入网络后，节点进入休眠状态时，用万用表测得电流仅为1．3μA，节点发送命令或者数据时刻，电流为64 mA．路由节点在发送数据给协调器的瞬间，电流为64 mA．如果协调器节点每5 min读取一次数据，路由节点从收到请求直到数据发送完成需要2．93s，计算最大功耗（休眠时的功率忽略不计），碱性电池容量以1 800 mAh来估算，则计算出每天累计消耗约为11．274 mAh，两节干电池使用时间约为1 800×（2／11．273）×（1／30）≈10，即为10个月左右．终端节点长期工作在休眠状态，根据休眠时间设定不同，采集数据频率不同，功耗不同，本实验测试结果是每日功耗低于3．5 mAh，两节五号电池供电时间达18个月以上．此结果说明本设计超低功耗．在有障碍物（例如墙壁）的场所，将数据分组传送，在网络正常时，数据组全部接收；网络中将任意的一个路由节点断电时，相当于节点故障，最终也接收到了所有的分组数据，由此分析，子节点进行了路由的重选，实现了自愈功能，说明网络有很高的鲁棒性和可靠性．5 结束语考虑到Zig Bee技术应用到恶劣环境中存在的弊端，提出了采用CC2430构建精简结构的终端节点，并在路由节点和协调器节点上增加主控单元MSP430和射频前端CC2591的方案．实验结果表明，该数据采集系统功耗低、系统更稳定，发送功率和接收灵敏度都得到改善，传输距离增加，达到了布置节点少、覆盖范围广的目的．此方案的成功运行，为以后组建复杂环境下应用的具体系统提供了一定的基础，具有参考价值．【相关文献】［1］于海斌，曾鹏．智能无线传感器网络系统［M］．北京：科学出版社，2006：42－43．［2］李文仲，段朝玉．Zig Bee无线网络技术入门与实践［M］．北京：航空航天大学出版社，2007：42－43．［3］黄玉立，童玲，田雨．基于CC2531＋CC2591的 WSN节点通信模块设计［J］．单片机与嵌入式系统应用，2011，11（1）：71－72．［4］刘湖平，麦云飞，王静悦．基于Lab VIEW和MSP430的CO气体无线检测系统设计［J］．计算机测量与控制，2010，18（9）：1 999－2 004．［5］ FARAHANI Shahin．Zig Bee wireless net wor ks and transceivers［M］．Boston：Newnes，2008：10－12．［6］郭渊博，杨奎武，赵俭．Zig Bee技术与应用［M］．北京：国防工业出版社，2010：62－63；87－88．［7］王华建，张立华．基于 MSP430和Zigbee的无线抄表终端设计［J］．电子技术，2010（12）：44－46．［8］王延年，穆文静．基于Zig Bee的无线信号采集传输系统的研究［J］．西安工程大学学报，2010，24（4）：510－515．。
基于zigbee的无线通信网络节点设计与实现
基于zigbee的无线通信网络节点设计与实现作者：李振慧来源：《中国新通信》 2018年第21期【摘要】传统的无线网络节点存在速率低、低功率、耗能高等不足，为此提出了基于zigbee 的无线通信网络节点设计，该设计运用zigbee 技术，进行了无线通信网络节点的设计组成，基于zigbee 的电频调试结构及接口，电源结构设计，基于zigbee 的处理器结构设计等几部分的设计。
并通过实验对比证明，基于zigbee 的无线通信网络节点具有较强的稳定性、较快的传输能力以及较高的通讯效率，能够在当今的生产和智能家居生活中满足用户对无线通信网络的要求。
【关键词】 zigbee 技术无线通讯网络节点设计引言：随着当今世界信息技术的迅速发展，计算机网络技术和无线通信技术得到很大的提高与进步。
居民生活和产业活动等都对无线通信网络提出了更高的要求，基于zigbee 的无线通信网络节点设计是一种新型的无线网络技术，它结合传感器技术、网络以及无线通讯技术更新优化了传统的无线通信网络节点的设计，该设计能够同时进行采集数据、实时通信、进行信息处理等工作，并且使工作效率和工作能力得到了很大的提高。
基于zigbee 的无线通信网络节点设计具备较强的自身组织能力且在无人监管的情况下能够自动运行[1]。
一、基于zigbee 的无线通信网络节点设计方案1.1 无线通信网络节点框架设计该网络节点的设计由以下几部分独立的结构组成，包括电源结构、按键与指示灯结构、电频调试结构、线路接口结构、射频结构以及处理器结构。
不同的部分负责无线网络的传输与通信，各部分独立安装更易于各节点的安装与替换。
1.2 电频调试结构及接口电源结构设计zigbee 电频调试结构采用了CC2422 无线调频芯片，其具有完备的控压震动器装备，仅需要天线、15MHz 晶振等较少的外围电路设备就能够在2.5GHz 频段上工作。
电频调试结构运用zigbee 技术，具有射频发送信息和接受数据的功能，其与处理器具有相同的通讯方式，即SPI 通讯方式[2]。
#一种ZigBee网络与实现
一种ZigBee网络的设计与实现1 引言无线传感器网络<Wireless Sensor Network,WSN）被认为是21世纪最重要的技术之一[1]。
无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者[2]。
传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。
目前用于设计无线传感器网络的主流网络协议有Bluetooth，ZigBee和UWB等[3]。
相对于现有的无线通信技术，ZigBee是一种新兴的近距离、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，主要用于无线近距离连接。
ZigBee 网络主要应用在智能家居、家庭护理、安全系统和工业监控等领域。
本文在简要介绍无线传感器网络的通信协议IEEE 802.15.4和ZigBee技术的基础上，采用Freescale公司提供的完全符合IEEE802.15.4规范的射频芯片MC13192，以及超低功耗控制器MC9S08GT60和CF5213，设计实现了符合ZigBee协议的网络终端节点和网络协调者。
2 无线传感器网络的通信协议随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几M范围之内通信的要求，这样就出现了个人区域网络<Personal Area Network，PAN）和无线个人区域网络<Wireless Personal Area Network，WPAN）的概念。
WPAN网络为近距离范围内的设备建立无线连接，把几M范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使它们可以相互通信甚至接入LAN或Internet。
2.1 IEEE 802.15.4IEEE 802.15.4标准是针对于低速无线个人区域网<Low-Rate Wireless Personal Area Network,LR-WPAN），把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准[4]。
ZigBee知识介绍及网络节点的设计
（2）网络地址，长度为16位：用于本地网 络中的设备标识，在每个设备的短地址必 须唯一，当节点加入网络时有其父节点分 配并通过使用短地址进行通信。
网络数据传递机制 (2/3)
在802.15.4标准中,有三种不同的数据转移： A:从终端设备到协调器 B:从协调器到终端设备 C:在对等网络中从一方到另一方
实验步骤
• 1.在ZSensorMonitor中观察网络拓扑结构
实验步骤
• 2.在IAR软件中对开发板进行编程
实验步骤
３.物理地址烧写
• 退出IAR编译环境，对协调器和路由器分别进行物理地址 烧写
实验现象
• 先将协调器上电运行，用超级终端观察信息变化。
总结
在研究ZigBee协议栈的基础之上，进行组 网的研究。研究和分析主要包括以下几方 面内容： 研究并分析了ZigBee网络组网相关知识 CC2530芯片的研究 基于ZigBee协议栈的编程
硬件设计(2/3)
硬件组成概述 • 传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和
能量供应模块四部分组成。
硬件设计(3/3)
• 传感器节点实物图如下：
软件设计
• 通过组网研究，设计了一个树形网络，其流程图如下
上电运行
初始化
建立 网络
建立 失败
建立成功
LED闪烁4次 串口显示信息
监测 无线信
号 有节点加入
数据 接收完
毕 是
LED闪烁2次 串口显示信息
分配网络 地址
否
进入等待接受状 态
（a）协调器流程图
软件设计
（b）路由器流程图
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—219—ZigBee 网络节点基带处理器的设计与实现施汝杰，高佩君，田佳音，闵 昊(复旦大学专用集成电路和系统国家重点实验室，上海 201203)摘 要：设计一款新型符合ZigBee 协议的无线传感器网络节点基带处理器。
提出一种O-QPSK 非相干解调的同步相关解码方式，解决了解调电路的结构冗余问题，降低了数字接收机的信噪比。
设计收发控制器完成发送与接收流程的管理，通过模式切换和软件平台的优化降低了整个节点芯片的工作功耗和面积。
通过Altera Stratix S80 FPGA 平台进行测试验证，结果符合设计要求。
关键词：ZigBee 协议；无线传感器网络；基带处理器Design and Implementation of Baseband-processorfor ZigBee Network NodeSHI Ru-jie, GAO Pei-jun, TIAN Jia-yin, MIN Hao(State Key Laboratory of ASIC & System, Fudan University, Shanghai 201203)【Abstract 】This paper presents a new baseband-processor for Wireless Sensor Network(WSN) node based on ZigBee protocol. A dedicated demodulation architecture based on a non-coherent receiver algorithm is proposed to enhance the receive sensitivity and reduce the circuit redundancy. A new transceiver control unit is designed to manage the whole transmit and receive process. Other techniques, such as operation mode switch, power management, software platform optimization etc. are also implemented to reduce the power consumption as well as chip area. The design is implemented and verified in Altera Stratix S80 FPGA platform. Test results prove its expected functionality and its low power consumption.【Key words 】ZigBee protocol; Wireless Sensor Network(WSN); baseband-processor计 算 机 工 程Computer Engineering 第34卷 第17期Vol.34 No.17 2008年9月September 2008·工程应用技术与实现·文章编号：1000—3428(2008)17—0219—03文献标识码：A中图分类号：TN4921 概述随着无线通信技术、智能传感器技术以及分布式计算机技术的高速发展，无线传感器网络(Wireless Sensor Network, WSN)技术逐渐成熟[1-2]。
其特点之一是采用电池供电，如何使有限能量尽可能长时间地维持网络的正常运转成为关键。
为了满足WSN 低功耗、低成本的设计目标，ZigBee 联盟推出了针对WSN 的ZigBee 协议。
ZigBee 协议的物理层(PHY)和媒体接入层(MAC)由IEEE802.15.4 [3]工作组制定，定义了900 MHz 和2.4 GHz 两个频段，由于2.4 GHz 在中国属于免费频段，因此本文的工作也基于这个频率展开。
协议在2.405 GHz ~2.480 GHz 的范围内共定义了16个频道，信道间隔为5 MHz ，调制方式为O- QPSK ，其数据传输速率为250 Kb/s ，采用了基于伪随机噪声(PN)码的直接序列扩频(DSSS)技术，扩频增益为8。
对于无线传感器网络节点的设计已有文献提出，文献[4]完成了节点模拟射频前端的设计，但缺乏MCU 控制和软件支持，文献[5]用事件处理器设计实现了无线传感器网络节点的处理芯片，但并不符合ZigBee 协议的基带通讯准则。
本文以ZigBee 协议为基础，设计了符合IEEE 802.15.4协议PHY 层和MAC 底层要求的WSN 节点信号基带处理器。
工作模式切换、事件中断唤醒等方式有效降低了工作状态的功耗；同时，解调模块采用了新的非相干同步相关解调算法，进一步提高了解调模块的信号接收灵敏度，降低了电路开销。
2 系统设计 2.1 基带设计结构无线传感器网络节点基带由3部分组成，分别是微控制器(MCU)、收发机控制器(TCU)和调制解调模块。
图1为整个基带处理器的模块设计结构。
图1 WSN 节点基带处理器结构MCU 通过特殊功能寄存器(SFR)总线发送命令串，控制收发机的工作状态，包括接收、发送、闲置和睡眠等。
TCU 作者简介：施汝杰(1983－)，男，硕士研究生，主研方向：无线传感器网络；高佩君，博士研究生；田佳音，硕士研究生；闵 昊， 教授 收稿日期：2007-10-15 E-mail ：shirujie@Front End Front End Chip—220—接收MCU 发送的指令，在工作模式间进行切换，并协调基带数字信号处理模块的收发工作。
在发送链路中，帧数据处理器将对存于发送缓存(TXFIFO)中的数据进行处理，添加帧头，帧同步字节以及计算CRC 校验位，在接收到TCU 的发送指令后，将数据送入数字信号处理(DSP)模块，由DSP 模块实现DSSS 和O-QPSK 调制，将250 Kb/s 的数据流转换为2 Mchip/s 的片码序列，送入模数转换器。
接收链路中，DSP 模块接收从模数转换器送入的信号，对信号进行O-QPSK 解调和片码相关处理，将经过调制的片码序列解码为250 Kb/s 的数据码流，由帧数据处理器实现帧同步及CRC 校验，若校验通过，将数据存入接收缓存(RXFIFO)，并中断提示MCU 接收完成。
在设计中，为了使软件程序能够更方便地被开发和移植，MCU 采用了Synopsys 的DesignWare 8051 IP 核。
该MCU 兼容业界标准8051结构，有128 Byte SRAM 、64 KB RAM 和ROM ，并有计时计数器及RS232串口接口等周边模块，易于实现软件的C-51开发，它通过SFR 总线控制各周边模块，以命令串方式访问并改写收发控制器的状态寄存器，实现对基带工作模式的控制。
2.2 基带调制解调IEEE 802.15.4协议使用了带Sine 成形的O-QPSK 调制方式。
DSSS 扩频是通过将每4 bit 数据映射为一个Symbol 来选择16个准正交的PN 序列完成，每个PN 序列由32个片码组成。
片码速率为2 Mb/s ，由此得到的数据率为250 Kb/s 。
每个32位码被分成I-Q 两路16位子码。
有多种接收机结构可以实现对O-QPSK 调制类型的解 调[6]，但通常要采用电路代价较大(增大电路面积和门数)的波形成形匹配滤波器和载波恢复电路的相干解调方式，信号必须通过16路并行32位片码相关器。
为了使解调电路尽可能精简和有效，本文提出了一种基于非相干接收解调算法和特定相关同步模块的电路结构。
该方法利用了半波Sine 成形O-QPSK 信号的相位连续性。
根据接收信号的相位变化可以推出发射片码及它们的时钟同步信息。
特别是电路跟随输入信号向量的旋转方向，它的变化可表示为sgn()sgn()I Q Q I t tθ∂∂∆=×−×∂∂ (1) 相位增量信号(θ∆)可以被用于重构发射片码，而它的过零点可以作为时序参考(最小的2个过0点间的周期即半个片码周期)。
相比传统的通过扩频码相关接收信号的方法，本文提出的方法可以直接产生一组新的用于θ∆信号的编码(见 表1)。
可以发现它们保留了原扩频码的特性，可以从一组编码通过旋转和反向得到。
这种特性可以使得相关模块的设计更为简单，可以通过如图2所示的一个16组编码的位相关器实现，每组编码通过位旋转即可得到，在一个片码周期内 (32个片码)线性的与片码进行相关运算。
相关运算结果最大的编码被选出，并输出相应的4位解码后数据。
在每帧数据的帧头部分，相关器也可以被用来得到时序和相位参考信息，并传递给后续的处理模块。
通过Matlab 的误码率(BER)模型仿真验证，数字接收信道可以解调最小信噪比为0.5 dB 的输入信号，达到并超过了协议[3]中的标准，进一步减少对前端模拟电路的灵敏度的要求。
与传统的并行相关方法相比，本文的解码方法使硬件消耗也得到有效地降低。
表1 相位增量信号编码Data SymbolsChip values (c 0, c 1,…, c 31)0000 00111111000100001010001100100110 0010 01100011111100010000101000110010 0100 00100110001111110001000010100011 0110 00110010011000111111000100001010 1000 10100011001001100011111100010000 1010 00001010001100100110001111110001 1100 000100001010001100100110001111111110 11110001000010100011001001100011 0001 11000000111011110101110011011001 0011 10011100000011101111010111001101 0101 11011001110000001110111101011100 0111 11001101100111000000111011110101 1001 010111001101100111000000111011111011 11110101110011011001110000001110 1101 11101111010111001101100111000000 111100001110111101011100110110011100图2 ZigBee 片码解码电路2.3 低功耗模式管理在WSN 节点电路中，MCU 及模拟前端电路的功耗约占系统总功耗的80%。