摘 要：无线通信是当前科技发展的一个热门技术，其中ZigBee无线网络以其低功耗、低成本、低数据传输速率、易应用以及工作在免费的ISM频段的特点，在各种工业监控自动控制传感器网络等领域得到广泛应用。文章介绍的温湿度监控系统是基于ZigBee技术构建的无线网络数据采集控制装置，该系统是一种特殊的Ad-hoc网络，是由许多无线传感器节点协同组织起来的，实现温湿度数据的分布式采集、处理、监控和无线传输等功能。

　　关键词：单片机；ZigBee；无线网络；CC2420

　　中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2014）8-0058-04

　　随着现代科技的不断发展，无线通信技术越来越受人们的青睐，无线通信技术一直向着低功耗、低价格、高稳定定性和不断提高传输距离的方向发展。

　　目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi、超宽频技术、蓝牙和其它一些专用标准的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，通信市场上已有多家公司推出应用于近距离通信的无线网络芯片产品。不少嵌入式通信产品也采用了这类技术，但它们大部分只提供解决无线通信的射频通道，没有一个统一的标准规范来制定MAC层、链路层和网络层的通信协议，不具备兼容性；而且对通信的控制软件完全依赖目标系统设计，由用户自己完成，不仅额外增加了工作量，而且代码的可靠性、效率都较低，对组网应用更可能存在问题；不同公司设计的产品不具备互操作能力，不具备通用性。此外，这些通信技术的普遍存在成本高、功耗大、抗干扰能力差等缺点，不适合大面积应用推广。

　　ZigBee技术是一种新兴的短距离、低功耗、低传输数据速率的无线通信技术。它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术方案。ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802.15.4无线标准研制开发的无线技术标准，在数千个微小的传感器之间相互协调通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

　　因此，本设计选用了功能强大、性能稳定、功耗底、搞干扰能力强的Microchip的高性能8位单片机PIC18LF4620和ZigBee芯片CC2420，并通过采用功能简易的免费Microchip ZigBee协议栈作为设计核心，并在应用层添加一些简单的应用程序，以这种方法来实现数据无线传输、监控和其它控制，所以在开发成本和传输性能上有着明显的优势。

　　1 ZigBee无线温湿度监控终端

　　1.1 系统构成

　　系统构成如图1所示，系统由终端节点RFD、协调器FFD和上位机客户端组成，RFD和FFD都是采用Microchip 公司的高性能单片机PIC18LF4620作为主控制器。ZigBee无线RF收发器采用的是CC2420芯片。FFD通过无线收发器绑定控制各个RFD节点进行温湿度的分布式数据采集，并把采集到的数据通过无线网络传给FFD，FFD再通过串口把数据包发送给上位机显示，实现现场温湿度的实时监控。

　　1.2 终端节点RFD构成

　　如图2所示，终端节点由主控制器、温湿传感器模块、电源模块、调试模块、CC2420模块、控制显示模块以及串行通信等组成。主控制器控制温湿度传感器进行数据采集，通过CC2420无线模块把采集到的数据发送给协调器，串口通信接口主要实现人机界面的交互和对终端节点的设置。

　　1.3 协调器FFD构成

　　如图2所示，协调器主要由主控制器模块、显示模块、调试模块、CC2420模块、电源模块以及串行通信模块等组成。控制、显示等接口主要是实现对当前状态情况的显示，主控制器通过控制无线模块CC2420进行绑定控制终端节点进行数据采集，以及接收终端节点传过来的数据。串口通信模块主要实现对协调器的设置和把接收到的数据传给上位机。

　　1.4 PIC18LF4620简介

　　8位高性能通用闪存单片机有以下主要特性：

　　①10位最多13路A/D转换器，采用纳瓦技术的低功耗单片机；

　　②优化的C编译器指令集架构，典型的100 000擦/写周期增强型闪存程序存储器，典型的1 000 000擦/写数据EEPROM存储器；

　　③工作电压范围为2.0 V到5.5 V，可编程的16级高/低检测，8×8单周期硬件乘法器；

　　④主同步串行口（MSSP）模块，支持3线SPI（所有4种模式）和I2C主/从模式，增强型可寻址USART模块；

　　⑤高灌/拉电流25 mA/25 mA，输入复用的双模拟比较器，3个可编程外部中断，4个输入电平变化中断。

　　1.5 CC2420ZigBee无线射频芯片简介

　　CC2420是Chipcon公司生产的首款符合ZigBee标准的无线射频器件，工作于全球统一开放的2.4 GHz ISM频带，用来开发工业无线传感及智能家居等无线网络的ZigBee设备和产品。该器件集成了很多额外功能，性能稳定，且功耗极底。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。由于其优良的性能、低廉的价格、小巧的体积，免费的协议栈，使其具有相当的市场潜力。

　　1.5.1 主要特性

　　采用业界标准四总线SPI接口的无线射频收发芯片CC2420具有以下主要特征：

　　①IEEE802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16 bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护；

　　②超低电流消耗（RX：19.7 mA，TX：17.4 mA）高接收灵敏度（-99 dBm）；

　　③内部集成有电压控制振荡器、低噪声放大器、功率放大器以及电源整流器，采用低电压供电（2.1～3.6 V）；

　　④数据速率250 kbps，片码速率为2 Mchip/s，工作频带范围：2.400～2.4835 GHz。

　　1.6 通信协议简介

　　ZigBee协议是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研发的关于组网、安全和应用软件方面的无线通信技术标准。ZigBee无线网络技术的组网连接功能非常丰富和强大。有时，人们会将IEEE802.15.4与ZigBee联盟提出的新标准搞混淆。实际上，ZigBee使用IEEE802.15.4提供的服务，并在其基础上增加了网络结构（星状网络、对等网络、网状网络、树状网络）、网络安全和应用服务等内容。ZigBee协议通常采用一种简化的4层模型，并且负责不同的通信功能，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。这4层分别为：应用层、网络层、MAC层、物理层。

　　2 硬件设计

　　2.1 硬件框图

　　如图3所示，为ZigBee单芯片硬件模块的基本框图，PIC18LF4620微处理器通过SPI总线和一些基本控制信号与RF收发器CC2420相连，PIC18LF4620微处理器充当SPI的主器件，CC2420充当从器件。微处理器实现了ZigBee协议层和与RF收发器进行交互。

　　2.2 主控制器电路

　　主控电路主要由主控芯片、温湿度传感器、JTAG模块、接口电路、串口电路这几部分组成，其中部分电路为可选模块，为以后系统扩展功能使用。PIC18F4620单片机是系统的核心，它控制着外围的其他各功能模块。此外电路中的按键输入、LED控制电路等简单模块将不作具体介绍，电路板上40脚的PIC18LF4620内置有一个SPI接口、一个增强型可寻址USART串口模块，最大外接晶振可达40 M，本系统对速度并无太多要求，所以选择4 M外接晶振；另外接4个LED指示灯和2个按键作为绑定调试使用；串口采用3个脚的接插键代替，方便安装和调试，通过接MAX3232电平转换芯片与PC机进行人机界面交互使用，它与PIC18F4620和接口头之间都串有100 ？赘限流保护电阻；PIC18F4620的SPI三线接口接到CC2420芯片的对应端口上，CC2420的FIFO、FIFOP、SFD、CCA、VREG_EN、RF_RESET_脚分别接至单片机的其它端口。

　　温度传感器采用Microchip公司生产的SPI接口的低功耗13位精度的数字温度传感器TC77，工作电压在2.7～5.5 V之间，在连续转换模式时消耗电流为250 uA，在关闭模式时消耗电流为0.1 uA；湿度传感器采用HM1 500，尺度小，易安装，可以非常节省成本的机械自动安装，适合3 ～7 V电压供电，可靠性高、漂移小、响应时间短，特别适用于10～95%RH环境的精确测量，超出这个范围也不会对HM1 500稳定性造成影响，由于它是线性的电压输出湿度检测模块，因此能够直接与单片机相接。

　　2.3 无线RF收发模块电路

　　2.3.1 串行SPI通讯接口设计

　　本设计SPI是一种常用的串行通信协议，常用于MCU系统与外围设备之间的通信。SPI接口是工业标准的同步串行接口，是一种采用全双工、三线通信的传输系统。在SPI接口中，数据的传输只需要一个时钟信号和两条数据线。SPI总线由四根线组成：串行时钟线、数据输出线，还有一根是从机选择线，它们在与总线相连的各个设备之间传送信息。

　　SPI可工作在主动或从动模式下，一个典型的SPI系统包括一个主MCU和一个或多个外围器件。单片机通过SPI接口模块与好几个从机设备以及另一个主机设备相连，当该单片机以主机模式运行时，就可以与系统中的从机进行通信。而当它以从机模式工作时，就能与另一个主机进行数据的通信。

　　2.3.2 射频RF模块设计

　　CC2420的硬件设计只需要极少的外围器件就构成了其典型电路，包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。

　　芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个瓷片电容，本系统当采用的是16 MHz晶振，瓷片电容的容值约为22 pF。射频输入和输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其阻抗约为50 Ω，同时为芯片内部的功率放大器及低噪声放大器提供直流偏置，射频模块的天线可以是PCB上的引线形成的天线或单根天线，天线必须尽可能靠近集成电路连接。

　　ZigBee芯片CC2420与微控制器MCU的连接是通过SPI实现。CC2420有15个命令选通寄存器，33个16位配置寄存， 1个128字节的TX RAM，1个128字节的RX RAM，1个112字节的安全信息存储器。TX和RX RAM的存取可通过地址或者用八位的寄存器，第二种情况对内存的访问FIFO缓冲区那样。

　　2.4 本系统的硬件电路图

　　本设计的硬件电路图主要有以上几部分组成，具体电路如图4所示：

　　3 软件设计

　　3.1 Microchip ZigBee协议栈

　　Microchip ZigBee协议栈使用IEEE 802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY），该协议栈设计为随着ZigBee无线协议规范的发展而发展。完整的协议栈自下而上包括物理层、介质访问控制层、网络层、应用层。Microchip ZigBee协议栈1.0版本采用的是Microchip公司的PIC18LF4620作为主控制器，它使用内部闪存程序存储器来存储可配置的MAC地址、网络表和绑定表，必须使用可自编程的闪存存储器单片机，可以在大多数的PIC18系列单片机进行移植。

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