基于ZigBee 技術的無線通信模塊研究

嚴林波

（南昌理工學院 電子與信息學院，江西 南昌330044）

當前是一個全球經濟化時代，我國無線通信模塊設計工作要與時俱進，跟上時代前進的腳步。在現代無線通信市場行業中，ZigBee 技術作為一種具有明顯應用優勢的無線通信技術，通過將其科學實踐應用在無線通信模塊設計工作中，能夠有效構建出一種低功耗、低成本的小區域范圍無線通信方式，滿足市場用戶對應的無線網絡通信需求。ZigBee 技術具有極為強大的無線網絡連接功能，能夠同時支持星狀、網狀以及樹狀三種不同類型的網絡架構。因此，基于ZigBee 技術的無線通信模塊創新設計應用，能夠發揮出明顯的優勢作用，在各個領域中都能夠取得良好的工作成果。

1 ZigBee 技術的主要特點

ZigBee 技術是現代社會生活發展中應用最為廣泛的一種通信技術，就如WIFI 一樣該項技術能夠讓一些設備高效接入到互聯網中，實現對無線數據的快速準確傳輸。ZigBee 技術是基于IEEE802.15.4 協議發展起來的一種短距離無線通信技術，該項技術作為顯著的特點主要體現在以下幾方面內容：a.低功耗。由于ZigBee 技術實踐應用的傳輸速率較低，其發射功率僅僅只有1mW，如果是在低耗電待機模式下，根據相關試驗數據顯示，生活中2 節普通的5 號干電池能夠支持1 個節點工作6-24 個月，甚至更長的市場，而藍牙設備的電量往往只能夠持續工作數小時，這是其他無線設備望塵莫及的[1]；b.低成本。在標準協議制定應用下，ZigBee 技術對通信控制器并沒有提出較高的要求。比如以市場上的8 位微控制器測算為例，所有功能的主節點只需要32KB 代碼。并且，市場面的ZigBee 協議是免專利費的，每個ZigBee 模塊的初始成本在6 美金左右，當前市場上每塊芯片價格更是低至2 美金，這無疑促使ZigBee 技術比起其他無線短距離通信技術更加具有成本優勢；c.時延短。ZigBee 技術應用還具有響應效率高的優勢特點，通常情況下該項技術從睡眠狀態轉換到運行工作狀態只需要15ms，通過實踐應用該項無線通信技術能夠有效降低更多不必要的電能損耗。與其他無線短距離通信技術相比較，其更加具有優勢，像我們生活中常用到的WIFI需要經過3s 才接入到網絡；d.網絡容量大。與其他無線通信相比較，ZigBee 技術還具有網絡容量大的優勢特點，該項技術能夠有效支持星狀、片狀以及網狀網絡結構。比如，一個星狀網絡結構的ZigBee 網絡最大程度可以有效容納254 分從設備和1 個主設備，并且一個區域范圍內能夠同時存在最多100 個ZigBee網絡，網絡組成有著高度靈活的特點，此外在一個網絡中能夠有65000 個節點進行連接。

2 基于ZigBee 技術的無線通信模塊的硬件設計

2.1 電路實現方案優化設計

ZigBee 技術應用下無線通信模塊硬件電路設計可以通過綜合采用MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片進行無線通信，其能夠科學有效控制CC2420 射頻芯片完成對數據信息的無線傳輸操作，如下圖1 所示為硬件模塊框圖。從該圖我們可以得知，系統硬件構建部分主要包括了CC2420 射頻芯片、MSP430F149 單片機以及電源管理模塊等。設計人員要嚴格按照ZigBee 技術的應用優勢特點，合理選擇相對應的系統器件，并認真做好每個模塊的技術調試工作，充分保障能夠符合硬件系統優化設計要求[2]。在該系統中MSP430F149 單片機起到的作用是實現對全部節點的有效控制操作，具體涵蓋了數據信息管理與任務管理。CC2420 射頻芯片負責連接SPI 接口實現與MCU 的有效通信，并完成對各項數據的接收和傳遞。

圖1 硬件模塊框圖

2.2 MSP430F149 單片機外圍電路優化設計

MSP430F149 單片機是一種屬于MSP430 系列的單片機，該單片機應用最為顯著的優勢特點是低功耗、處理能力強以及豐富片上外圍模塊。首先，MSP430F149 單片機應用采用了3.3V的電源電壓，其待機電流要小于1uA，其運行作業時250uA/MIPS。 MSP430F149 單片機能夠同借助控制時鐘去打開或者關閉實現對總體功耗的科學有效控制；然后，MSP430F149 單片機還具有強大的處理能力。該系列單片本身就有著先進完善的體系結構，無論是數據處理能力，還是運算能力都是較為突出。此外，該系列單片機還會有著只有在DSP 中出現的硬件結構，能夠幫助用戶完成對數字信號的高效處理；最后，MSP430F149 單片機有效集成了豐富的片內外設。比如，市場中常見的實時時鐘模塊、電源電壓控制器、運算放大器以及LCD 驅動器等片內外設都被廣泛應用在MSP430 系列單片機中，能夠賦予該系類單片機強大的功能，方便用戶簡單操作使用該系列單片機。MSP430F149 單片機是基于ZigBee 技術無線通信模塊硬件系統設計的核心所在，其外圍電路涵蓋了CC2420的接口電路、JTAG 接口電路等。設計人員需要運用到高速串行接口SPI 實現MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片的通信，并保證能夠順利傳遞數據與發送各種指令。SPI 接口有著4 個引腳，它們分別是MOSI、SPICLK、MISO 以及SS。不同引腳起到了不同的功能作用，比如MOSI 引腳主要負責對主數據的輸出，從數據輸入引腳。如下圖2 所示，為MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片的接口電路圖。

圖2 MSP430F149 單片機與CC2420 射頻芯片的接口電路圖

MSP430F149 單片機與CC2420 的四個引腳SFD、FIFO、CCA、FIFOP 相互連接，以此來表示收發數據的實際狀態。如下圖3 所示為MSP430F149 單片機電路設計圖。

圖3 MSP430F149 單片機電路設計圖

2.3 CC2420 無線通信模塊電路設計

CC2420 作為一種先進的射頻收發器件，其運行功耗較低、運行狀態穩定。技術人員在設計CC2420 的外圍電路時，可以將其科學劃分為3 個不同部分，分別是時鐘電路、射頻收發匹配電路以及控制器接口電路。外圍電路中的控制器接口電路部分是比較容易就能夠設計完成的，只需要將SPI 接口與控制器有效連接在一起。設計人員需要將對應的引腳相互連接在一起。其中42 引腳在與其他引腳進行相連時，需要有效為該連接電路提供1.8v 電壓，只有這樣才可以達到CC2420 射頻芯片內部電路運行的電壓要求。38、39 引腳有效連接外部晶振[3]，45 引腳外接偏置電阻，這樣就能夠為模擬輸出引腳。

3 基于ZigBee 技術的無線通信模塊的軟件設計

3.1MSP430F149 單片機集成開發環境

在MSP430F149 單片機集成開發環境設計過程中，技術人員需要運用到專業的IAR 軟件，在該軟件操作界面中合理選擇應用調試工具。技術人員可以通過操作Debugger 有效下載相應的源程序，倘若在整個操作過程中沒有遇到任何提示障礙，都是正常進行的那么就可以展開仿真操作，而倘若產生了錯誤提示，技術人員就需要重新回到IAR 軟件Embedded Workbench 界面進行調整，最終再展開編譯與下載操作。技術人員在軟件源程序下載界面上，可以依次展開斷點設置、連續以及查看變量等各項操作。倘若技術人員需要進行對源程序的優化調整，那么就要重新回到源程序的下載步驟，直到全部完成仿真調式。

3.2 配置IEEE802.15.4 工作模式

ZigBee 技術是基于IEEE802.15.4 協議發展起來的一種短距離無線通信技術，該項協議提出必須使用DSSS 調制形式的工作模式。其中，IEEE802.15.4 標準2.4GHz 頻段物理層可以實現250kbps 的數據速率，且其中的二進制信息均需要為有效映射的數據符號。接著不同符號映射為32 位碼片的PN 序列。碼片象征著對應的數據符號，需要運用到半正弦脈沖波形的O-QPSK 調制到載波上，碼片速率通常是符號速率的32 倍。CC2420 為IEEE802.15.4 標準規范中的數據幀格式有效提供了硬件支持，SHR 同步頭涵蓋了幀引導序列和幀開始定界符SFD，其中真引導序列的字節數是由4 個0X00 組成的，而幀開始定界符通常為一個字節，被設置成0XA7，能夠配置CC2420的幀引導序列的長度和幀開始定界符[4]。當技術人員需要對物理層中的幀引導序列進行參數設置時，就需要科學運用到RF寄存器中的MDMCTRL0.PREAMBLE＿LENGTH，而如果是對幀開始定界符進行參數設置，就要運用到寄存器中的SYNCWORD。物理層協議數據單元PPDU 主要可以被劃分了三個部分，它們分別是同步頭SHR、物理層幀頭PHR、有效載荷部分PSDU。

結束語

綜上所述，在ZigBee 技術支持下的無線通信模塊設計過程中，可以綜合采用到MSP430F149 單片機作為系統主控芯片，該單片機可以通過SPI 接口與CC2420 射頻芯片完成短距離無線通信，并控制射頻收發芯片工作。技術人員可以采用C 語言去編寫軟件程序，利用專業的IAR 軟件去創建單片機集成開發環境，實現對源程序的下載調式。