SoC芯片CC2430

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。它使用1個8位8051 MCU，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路，以及21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。

　　得益于CC2430的高集成度，其外圍電路非常簡單，只需要數量很少而且廉價的外圍元件，即可完成無線傳感器節(jié)點的數據傳輸和處理功能，因而大大降低了成本。

　　傳感器模塊

　　根據實際需要選擇不同的傳感器對監(jiān)測區(qū)域內溫度、濕度、振動、聲音和光線等物理信號進行檢測。可選用了光敏器件、數字格式傳感器和駐極體話筒，對光強、溫度、振動和聲音等進行探測。

　　光敏電阻5516是基于半導體光電效應工作的光導管，對光強感應靈敏度相當高，當受到一定波長范圍的光照時，其阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加，通過參考電阻分壓后進行模數變換即可獲得光敏電阻的阻值，進而換算出光照強度。

　　Maxim公司的DS18B20是一線式數字溫度傳感器，測量結果可選用9～12位串行數據輸出，測量范圍-55～125℃，在-10～85℃測量準確度為±0.5℃。

　　駐極體話筒HX034P是電容式微麥克風。輸入信號為聲音信號，輸出信號經MAX4466構成的前置放大電路后進行電壓值A/D采樣，處理器的A/D采樣頻率可達200KHz，可捕獲到聲音信號。

　　ADI公司的ADXL202是雙軸向加速度傳感器，它采用先進的微型機電系統(tǒng)技術，在同一硅片中刻蝕了一個多晶硅編碼微機械傳感器，集成精確的信號處理電路，可測靜態(tài)及動態(tài)加速度。該傳感器可廣泛應用于慣性導航、地震監(jiān)測、車輛安全和電池供電設備的運動狀態(tài)測試等領域。

　　結合使用上述幾種傳感器和敏感器件的無線傳感器網絡節(jié)點，能夠實現溫度、加速度(震動)的準確測量與探測，光敏電阻有其自身的光譜特性和溫度特性，因此在設計中不作精確標定；另外對聲音信號的捕獲和復現需要進行大量的數據處理，從能量利用和傳感器節(jié)點功能的精簡角度考慮，設計中對聲光強弱的探測通過設定閾值來給出布爾型輸出。

　　電源模塊

　　實現節(jié)點設計的微型化，節(jié)點可采用輸出電壓3.6V可充電鋰離子鈕扣電池LIR2032供電。該類電池自放電率小于10％每月，但額定容量較小，限制了節(jié)點的生存期，若以兩節(jié)5號電池供電，則可維持更長的工作時間，在以網絡形式工作狀態(tài)下通過合理的設置節(jié)點發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機狀態(tài)，可有效地延長節(jié)點的使用壽命。針對節(jié)點供電單元不便于更換的無線傳感器網絡，新的能源解決方法研究及網絡系統(tǒng)的低功耗設計也是當前值得關注的課題。

　　阻抗匹配網絡

　　CC2430的射頻信號采用差分方式，其最佳差分負載阻抗是115+j180Ω，阻抗匹配電路需要根據這一數值進行調整。本設計采用50歐姆單極子天線，由于CC2430的射頻端口是差分形式具有兩個端口，而天線是單端口，因此需要一個巴倫來完成兩端口到單端口間的轉換。巴倫電路由成本低廉的電感和電容構成，如圖4所示，包括電感L1、L2、L3和電容C1和兩段長的傳輸線。

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　　Sink節(jié)點的硬件設計

　　無線傳感器網絡內的信息與外部網絡或處理終端間的連接需要通過Sink節(jié)點來實現，Sink節(jié)點是無線傳感器網絡與有線設備連接中轉站，負責發(fā)送上層命令(如查詢、分配ID地址等)，接收下層節(jié)點請求和數據，具有數據融合、請求仲裁和路由選擇功能，是無線傳感器網絡中最重要的一部分。我們設計的Sink 節(jié)點帶有USB數據口和RS232數據口，兩種數據口可以通過開關進行切換，以方便Sink與外部網絡或處理終端間的連接。

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　　圖5是我們設計的Sink節(jié)點的結構框圖，仍然采用Chipcon公司推出的高度整合的SoC芯片CC2430實現傳感器節(jié)點的數據傳輸和處理功能。TTL與RS232電平轉換單元選用MAX 3316芯片，該芯片在2.25～3.0V供電即可實現兩通道雙向電平轉換，可直接操作CC2430芯片串行數據線和控制線。CC2430的外圍電路設計與傳感器節(jié)點相同。

　　結語

　　基于ZigBee的無線傳感器網絡具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點，可在特殊環(huán)境下實現監(jiān)測區(qū)域內信號的采集傳輸與處理。伴隨無線自組織網絡技術的成熟和新的能量解決方案的提出，無線傳感器網絡的應用必將從軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、空間探索和災害預測普及到生活中的各個領域。

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