低功耗无线传感器网络节点设计
本科学生毕业设计
低功耗无线传感器网络节点设计
院系名称：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：叶树江
职称：教授
黑龙江工程学院
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Design Wireless Sensor Network Node With Low Power Consumption
Candidate：
Specialty：Measurement-Control Technology and
Instrumentation
Class：
Supervisor：Professor ,Ye Shujiang
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
摘要
无线传感器网络技术的诞生要归功于传感器技术、无线通信技术以及半导体技术的高速发展。它是一个自组网络，由分布在监测区域的大量微型传感器节点组成，其作用是将网络覆盖区域中被感知的对象信息通过无线通信的方式汇聚到处理中心。无线传感器网络的应用前景非常广阔，它能够广泛应用于军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、制造、医疗、保健、家居、工业、物流等领域。可想而知无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。
本设计应用MSP430系列低功耗处理芯片和CC2520射频信号收发芯片这两种芯片，通过其外围电路的设计，并使用ZigBee来编写通讯协议，实现无线传感器网络节点的低功耗。做到在特殊环境下的温度采集，以及信号在个节点之间的传播。
关键词：无线传感器；网络节点；低功耗；MSP430；CC2520；ZigBee
ABSTRACT
Wireless sensor network technology was born thanks to the sensor technology, wireless communication technology and the rapid development of semiconductor technology. It is a self-organizing network, the distribution in the region to monitor a large number of micro sensor nodes, whose effect is that the network coverage area by sensing the object information through a wireless communication way together to the processing center. Wireless sensor networks are very broad application prospects, It can be widely used in military, aerospace, anti-terrorism, explosion-proof, disaster relief,industrial , manufacturing, medical, health, home furnishing,environment , logistics and other fields. We can imagine the wireless sensor network is perceived and gathering information revolution of twenty-first Century, is one of the most important technologies.
Design and application of the MSP430 series low power chip and a CC2520 radio signal transceiver chip of the two chip, through its peripheral circuit design, and use the Zigbee to prepare a communication protocol of wireless sensor network, low power consumption.The node to the special circumstances of the temperature collection, as well as the signal in the nodes between the transceivers.
Key words: Wireless sensor network; Node;Low power;MSP430;CC2520;ZigBee
目录
摘要............................................................................................................. I Abstract ....................................................................................................... II 第1章引言 (1)
1.1概述 (1)
1.2无线传感器及其网络的发展及关键技术 (2)
1.2.1无线传感器及其网络的发展 (2)
1.2.2无线传感器及其网络的关键技术 (3)
1.3基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络简介及协议标准 (4)
1.3.1 ZigBee的无线传感器网络简介 (4)
1.3.2 ZigBee的无线传感器网络的协议标准 (5)
1.4本设计主要内容 (7)
1.5本设计结构安排 (7)
第2章整体方案 (8)
2.1整体方案确定 (8)
2.2低功耗的方案对比和选择 (9)
2.2.1 处理器的对比和选择 (9)
2.2.2 信号收发芯片的选择 (9)
2.2.3 通讯协议的选择 (10)
2.3本章小结 (10)
第3章硬件电路设计 (11)
3.1硬件电路设计思路 (11)
3.1.1 MSP430系列芯片具体型号的确定 (11)
3.1.2 电路主体结构框架图及其工作原理 (11)
3.2电路主要部分的设计 (12)
3.2.1 MSP430F2618芯片的外围电路及分析 (12)
3.2.2 CC2520射频收发芯片的外围电路及分析 (15)
3.2.3电源升压电路以及温度传感电路 (17)
3.3本章小结 (18)
第4章软件设计 (19)
4.1主程序流程图 (19)
4.2数据发射程序 (20)
4.2.1 读取数据子程序设计 (20)
4.2.2 发射子程序设计 (20)
4.3数据接收程序 (21)
4.4本章小结 (22)
结束语 (23)
参考文献 (24)
致谢 (26)
附录 (27)
第1章引言
1.1 概述
当今社会因为互联网的存在发生了革命性的改变，不但改变了人们的生活方式，同时也改变了人们的思维模式。而近几年不甘于停滞的创新者们又提出了一个全新的概念——物联网[1]。而物联网是指通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外感应器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息，与互联网结合形成的一个巨大网络。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。其实也就是让生活变得更加的智能化，可以使用个人PC机或者手机进行控制。不过物联网只是刚刚兴起的概念，虽然不是不可能完成的，但是对于现在的技术而言，具有一定难度[2]。
然而近几年来，人们对于无线传感器的广泛应用，给物联网提供了一个实现的可能。无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输被网络覆盖的地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户[3]。无线传感器网络的应用前景非常广阔，它能够广泛应用于军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、制造、医疗、保健、家居、工业、物流等领域[4]。而且当今社会的发展对于无线传感器的低功耗的要求也是越来越迫切，不单单是为了节省能源，更是为了让无线网络能够为人类更好的服务，而且一些运用无线传感器网络的地方，即使是安装无线传感器也是十分危险的，更不用说要频繁的更换电池。因此我们在处理无线传感器网络低功耗的问题时，首先要了解无线传感器[5]。
在无线传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能，其一方面是实现数据的采集和处理，另一方面是实现数据的融合和路由，即对本身采集到的数据和接收的其他节点的数据进行综合，并转发到网关节点[6]。网关节点常常是个数有限的，而且能量能可以常常得到补充的，并使用多种方式与外界联系的节点。但是传感器节点通常采用电池供电且数目非常庞大，并大多工作在无人区域或者对人体有伤害的恶劣环境中，不能给电池充电或更换电池，因此一旦无线传感器
网络节点的能量耗尽，并且更换电池无望的话，那么该节点就将退出网络，这样就直接影响整个传感器网络的实用性和生命周期。因此，无线传感器网络节点必须是低功耗的，而如何高效的使用能量来最大化无线传感器网络的生命周期，就成为无线传感器网络面临的首要挑战[7]。
1.2无线传感器及其网络的发展及关键技术
1.2.1无线传感器及其网络的发展
无线传感器的应用最早可以追溯二十世纪70年代越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林覆盖的“胡志明小道”进行了一场血腥较量，这条道路是胡志明部队向南方游击队源源不断输送物资的秘密通道，美军曾经绞尽脑汁动用航空兵狂轰滥炸,但效果不大。后来，美军投放了2万多个“热带树”传感器[8]。
所谓“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土中，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。只要对方车队经过，传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送到指挥中心，美机立即展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车[9]。随着大规模战争的结束，二十世纪80年代至90年代之间，主要是美军研制的分布式传感器网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。因此在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一[10]。
而21世纪开始至今，自911事件发生之后。现阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了应用于情报部门反恐活动以外，在其它领域更是获得了很好的应用，所以2002年美国国家重点实验室——橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断[11]。由于无线传感网在国际上被认为是继互联网之后的第二大网络，2003年美国《技术评论》杂志评出对人类未来生活产生深远影响的十大新兴技术，传感器网络被列为第一[12]。
在现代意义上的无线传感器网络技术及其应用方面，我国与发达国家几乎同步启动，它已经成为我国信息领域位居世界前列的少数方向之一。在2006年我国发布的《国家中长期科学与技术发展规划纲要》中，为信息技术确定了三个前沿方向，其中就有两项与传感器网络直接相关，这就是智能感知和自组网技术。当然，传感器网络的发展也是符合计算设备的演化规律[13]。
基于无线传感器网络的广泛应用，其网络节点的低功耗就变得尤为重要，而想让无线传感器网络节点低功耗，就要了解无线传感器网络节点的组成和功能。传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等[14]。
1.2.2无线传感器及其网络的关键技术
1、无线传感器网络的特点
无线传感器网络与传统Ad hoc网络相比有一些独有的特点，正是由于这些特点使得无线传感器网络存在很多新问题，提出了很多新的挑战。无线传感器网络的主要有五个特点：
（1）无线传感器网络的节点数量大、密度高。由于无线传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络质量。无线传感器网络的节点数量和密度都要比Ad hoc网络高几个数量级，可能达到每平方米上百个节点的密度，甚至多到无法为单个节点分配统一的物理地址。这会带来一系列问题，如信号冲突、信息的有效传送路径的选择、大量节点之间如何协同工作等。
（2）无线传感器网络的节点有一定的故障率。由于无线传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求无线传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。
（3）无线传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个无线传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对无线传感器网络而方开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。
（4）无线传感器网络的拓扑结构变化很快。由于无线传感器网络自身的特点，传感器节点在工作和睡眠状态之间切换以及传感器节点随时可能由于各种原因发生故障而失效，或者有新的传感器节点补充进来以提高网络的质量，这些特点都使得无线传感器网络的拓扑结构变化很快，这对网络各种算法（如路由算法和链路质量控制协议等）的有效性提出了挑战。此外，如果节点具备移动能力，
也有可能带来网络的拓扑变化。
（5）以数据为中心（Data Centric）。在无线传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而且是不会去关心具体某个节点的观测数据，比如说人们可能希望知道“检测区域的东北角上的温度是多少”，而不会关心“节点8所探测到的温度值是多少”。这就是无线传感器网络的以数据为中心的特点。而传统网络传送的数据是和节点的物理地址联系起来的，以数据为中心的特点要求无线传感器网络能够脱离传统网络的寻址过程，快速有效的组织起各个节点的信息并融合提取出有用信息直接传送给用户。
2、无线传感器网络节点的体系结构
传感器网络节点一般由四个部分组成：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、移动系统以及电源自供电系统等[15]。
无线传感器节点是任意分布在被检测区域的，一般环境中采用人工埋置方法，这样可以保证节点的大体均匀分布；在危险区域或者不方便人工埋置的情况下，可以采用飞机投放，炮弹弹射等方法[16]。当传感器节点部署完成后，所有传感器节点以自组织形式构成网络，在每个节点构建路由信息，以使每个节点都可以与网络中的其他节点通讯。在这些节点中，有少数几个节点被称为基站（Base Station）或者Sink节点，Sink节点起网关的作用，它将传感器节点发送来的采集数据发送给观测者，发送的方式可以采用Internet、卫星通信等；同时将观测者的控制命令发送给各个传感器节点。Sink节点必须在传感器网络的覆盖范围之内，用户的控制终端可以在任何地域范围内[17]。
1.3 基于IEEE80
2.15.4/ZigBee的无线传感器网络简介及协议标准
1.3.1 ZigBee的无线传感器网络简介
IEEE802.15.4/ZigBee协议是由IEEE802.15.4-2003标准的PHY和MAC层再加上ZigBee的网络和应用支持层所组成的。其突出的特点是网络系统支持极低成本、易实现、可靠的数据传输、短距离操作、极低功耗、各层次的安全性等[18]。为了达到极低的设计成本和极低的功率消耗，协议定义了两种相互配合使用的物理设备，全功能设备和消减功能设备：
（1）全功能设备（Full Function Device, FFD），可以支持任何一种拓扑结构，可以作为网络协商者和普通协商者，并且可以和任何一种设备进行通信；
（2）消减功能设备（Reduced Function Device, RFD），只支持星型结构，不能成为任何协商者，可以和网络协商者进行通信，实现简单的与物理节点相对
应，在IEEE802.15.4/ZigBee网络需要至少一个全功能设备作为网络协商者，终端节点一般使用消减功能设备来降低系统成本和功耗，提高电池使用寿命。另外所有设备必须使用一个64位的IEEE地址；可以使用16位短地址来减少数据包大小；寻址模式可以为网络加设备标识符的星型结构，或者源和目标标识符的点到点结构（包括了簇树和Mesh网络）两种[19]。
物理层的设计是面向低成本和更高层次的集成需求的，对大部分较低端的实现来说，直接序列（Direct Sequence）的应用使用模拟电路变得非常简单，具有更高的容错性能；MAC层的设计不但使得多种拓扑结构网络的应用变得简单，可以实现非常有效的功耗管理，而不需要在很多管理模式之间的切换。MAC层可以使用一种消减功能设备（Reduced Functional Device），由于其结构简单，不需要大量的Flash、ROM和RAM等存储设备，从而保证了较长的电池寿命。MAC还进行了特别的设计，可以支持极大数目的网络节点，而不需要对它们进行包装处理；网络层的设计支持网络规模在空间上增长而不需要使用高功耗的中继器，而且网络层在较少网络负载的条件下可以支持更大数目的网络节点[20]。
基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络以其突出的特点和应用前景，必将成为今后无线网络发展的一大方向。
1.3.2 ZigBee的无线传感器网络的协议标准
1、概述
随着通信技术的迅速发展，人们提出了在自身附近几米范围内通信的要求，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，把几米到几十米范围内的多个设备通过无线方式连接在一起，使他们可以相互通信甚至接入LAN或者Internet[21]。2001年8月成立的ZigBee 联盟就是一个针对WPAN网络而成立的产业联盟。该联盟致力于近距离、低复杂度、低数据速率、低成本的无线网络技术[22]。他们开发的技术被称为ZigBee 技术，该技术希望被部署到商用电子、住宅及建筑自动化、工业设备监测、PC 外设、医疗传感设备、玩具以及游戏等其他无线传感和控制领域当中[23]。
ZigBee联盟已于2005年6月27日公布了第一份ZigBee规范“ZigBee Specification V1.0”。这标准定义了在IEEE802.15.4-2003物理层和标准媒体接入控制层上的网络层及支持的应用的服务。ZigBee联盟的长期目标是能够建立基于互操作平台和配置文件的可伸缩、低成本嵌入式基础架构[24]。
在W-PAN中有三种网络角色：PAN网络协调器和设备。这三种角色在IEEE802.15.4/ZigBee规范中分别对应ZigBee协调器、ZigBee路由器和设备。PAN
网络协调器可以看作是一个PAN的网关节点（也即SINK节点）。它是网络建立的起点，负责PAN网络的初始化，确定PAN的ID号和PAN操作的物理信道并统筹短地址分配。协调器在加入网络之后获得一定的短地址空间。这个空间内，他有能力允许其他节点加入网络，并分配短地址，当然协调器还具备路由和数据转发的功能[25]。PAN协调器和协调器周期发出信标帧（Beacon Frame），必须是全功能设备（FFD）。设备是整个网络的叶结点，它只能与它的父节点通信，也没有加入其他任何节点的能力。设备可以是全功能设备（FFD）或缩减功能设备（RFD）[26]。
2、IEEE802.15.4/ZigBee协议框架
IEEE802.15.4/ZigBee标准采用分层结构。每一层为上层提供一系列特殊的服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体则提供所有其他的服务。所有的服务实体都通过服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP都支持一定数量的服务原语来实现所需的功能[27]。
IEEE802.15.4/ZigBee标准堆栈架构是在OSI七层模型的基础上根据市场和应用的实际需要定义的。其中，IEEE8021.5.4-2003标准定义了底层：物理层（Physical Layer，PHY）和媒体访问控制层（Medium Access Control Sub-Layer，MAC）。ZigBee联盟在此基础上定义了网络层（Network Layer，NWK），应用层（Application Layer，APL）架构。其中应用层包括应用支持子层（Application Support Sub-Layer，APS），应用架构（Application Framework，AF），ZigBee 设备对象（ZigBee Device Objects，ZDO）以及用户定义应用对象[28]。
IEEE802.15.4-2003工作在工业科学医疗（ISM）频段，定义了两个物理层，分别工作在两个频段上：868/915MHz和 2.4GHz。其中低频段物理层覆盖了868MHz的欧洲频段和915MHz的美国与澳大利亚等国的频段。高频段则全球通用。IEEE802.15.4-2003 MAC层采用CSMA-CA机制来控制信道接入，主要负责传输信标帧，同步以及提供可依赖的传输机制。相关内容将在以下的小节中具体介绍[29]。
网络层和的主要职责包括提供设备用来加入网络和离开网络的机制，提供数据帧传输的安全机制和路由机制。另外，发现并保持设备间的路由，发现一跳邻居并存储潜在邻居信息也是由网络层（NWK）完成的。ZigBee协调器的NWK 层还必须负责启动一个新的网络，给新的关联设备分配地址等工作[30]。
IEEE802.15.4/ZigBee应用层包括APS，AF，ZDO以及用户定义应用对象。应用支持子层（APS）子层负责维护绑定表，以及传输在绑定的设备间传输数据。设备绑定表用于根据设备间提供服务的要求来匹配设备并储存相关设备信息的。
ZigBee设备对象（ZDO）负责定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器中断设备），提出或响应绑定请求，以及建立网络设备间的安全关系。ZigBee设备对象（ZDO）还要负责网络设备的发现及判定对方提供哪类服务[31]。
1.4 本设计主要内容
本设计的主要工作就是对无线传感器网络的低功耗技术进行分析，掌握其最佳低功耗的方案；对低功耗无线传感器网络各层协议进行学习、分析，找到制约其应用的难点；重点对目前无线传感器网络MAC层协议的主流标准IEEE802.15.4进行分析，并在此基础上，结合TI公司的CC2520芯片和MSP430系列低功耗芯片，来实现无线传感器网络节点的低功耗。
1.5 本设计结构安排
本设计的工作是围绕着无线传感器网络的节能、低功耗技术这一热点问题进行的。本设计的设计安排安排如下：
第1章为绪论。简要介绍了无线传感器网络的现状和应用，同时简要介绍了基于IEEE802.15.4/ZigBee的无线传感器网络，并指出了本设计的技术内容，即实现无线传感器网络节点的低功耗。
第2章主要介绍无线传感器网络的技术特点、无线传感器网络关键技术相关技术说明，并且要较为全面地介绍IEEE802.15.4/ZigBee标准，主要描述其标准的协议架构，网络服务接入点、原语等基本概念以及对低功耗无线传感器网络的能耗特点进行分析，对比现有的节能技术，并提出整体的方案。
第3章是本设计的核心。在这里给出了整体的硬件电路设计思路，并且对电路的各个部分进行分析与解释。
第4章叙述程序的编程方案，给出程序的框架结构图并对全文进行总结，并对以后的设计工作进行展望。
第2章整体方案
2.1 整体方案确定
针对本设计的整体方案分析如下：
（1）数据传输的距离主要由射频芯片决定，因此，需要选择一款通信距离大于50米且功耗较低的信号射频收发芯片。正常情况下传感器节点间距离为50~100米左右比较适宜，而环境的不同将导致传输距离的不同，发射功率减小、温度过低、障碍物等都将减小传输距离，低功耗设置下50米范围正常情况可以达到。
（2）在选择芯片时应考虑到射频芯片的发送电流与接收电流，不能超过技术指标，例如CC2520的接收电流在功率50dBm时为18.5mA，可以作为备选芯片。
（3）普通的无线传感器网络节点电压多为5V或3.3V，然而电压高低影响着传感器节点的功耗，因此在芯片选择时要注意选择供电电压低的芯片以减小功耗。
结合以上几点，本设计的结构如图2.1所示
图2.1 低功耗无线传感器网络工作过程结构示意图
首先电池模块对串口单元、传感器模块、处理器模块和无线射频收发模块进行供电。传感器模块进行信息的采集，之后传送给处理器模块，随后处理器模块处理采集的信息，与此同时处理器模块也把信息发给无线射频收发模块进行发射无线信号。当然无线射频收发模块也可以接收外部信号，通过处理模块的处理再
把信号发送给网络的其他节点或者用户终端进行处理和显示。
2.2 低功耗的方案对比和选择
通过对本设计初期理解，实现无线传感器网络节点的低功耗，本设计需要一个处理器，一个信号收发芯片和多点通讯协议。因此我需要对这三方进行对比、选择。
2.2.1 处理器的对比和选择
1、51系列单片机的特点
51单片机是单片机中的一种，单片机是一块集成芯片，但不是一块实现某一个逻辑作用的芯片，而是在这块芯片当中，集成了一个计算机系统。如中央处理器（CPU）、存储器（ROM,RAM）、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等。中央处理器是单片机的核心单元，他由运算器和控制器组成，他的主要作用是实现算术运算、逻辑运算、和控制。其特点有：有优异的性价比、集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制作用强、扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。
2、MSP430系列芯片的特点
TI公司的MSP430系列芯片其工作电压范围为1.8~3.6V，它具有五种节电工作模式，在不同的模式下消耗的电流在0.1~400μA，可以获得很低的功耗。从休眠到正常工作整个唤醒时间只需6μs，反应速度快。它内部集成了A/D和D/A转换器。具有保持电路，具有硬件乘法器可以进行的简单的数字滤波等数据分析处理，具有60KB程序储存器和2KB数据储存器，可以保存一定数据，非常适合无线传感器网络节点。利用MSP430系列芯片的片内资源，使节点不仅具有较完善的功能，还可化简系统硬件电路，降低功耗和体积，大大提高节点的可靠性和性价比。
依据以前两种处理器的对比和分析，本设计很容易的就可以确定使用MSP430系列的芯片作为低功耗无线传感器网络节点的处理芯片。
2.2.2 信号收发芯片的选择
从上节得到的分析结果，本设计发现了TI公司的CC2520射频信号收发芯片。该芯片专门用于企业、科学研究所与医疗部门的2.4GHz非正式频率宽度所用。它具有当今业界最佳的选择性、共存性及优异的链路预算功能特点，其产品目标在于满足各种应用中ZigBee/IEEE 802.15.4同专有无线系统的要求，这包括工业监控、家庭与楼宇自动化、机顶盒、远程控制以及无线传感器网络。
CC2520芯片能与诸如TI MSP430超低功耗MCU等微控制器以及一些额外
无源组件协同工作。CC2520产品为各种应用提供了广泛的硬件支持，包括数据包处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据认证、空闲通道评估、链接质量
指示以及数据包计时信息等，从而降低了主机控制器上的负载。而MSP430 MCU 系列产品具备各种高集成度外设，如动态存储器存取(DMA)、数模转换器(DAC)和模数转换器，产品能够在实现高性能的同时，确保功耗很低，因此CC2520芯片对于基于ZigBee的应用而言是完美选择。
2.2.3 通讯协议的选择
在第1章和第2章中，都提到了ZigBee这种通讯协议，既然已经提到了两次说明本设计的无线通讯协议与ZigBee是脱离不了关系的，为什么本设计要使用ZigBee通讯协议呢，其选择的重点有以下几点：
（1）省电：由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式，ZigBee技术可以确保两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时，当然不同的应用功耗是不同的;
（2）可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息;
（3）成本低：模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的;
（4）时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms;
（5）网络容量大：一个ZigBee 网络可以容纳最多254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络;
（6）安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
2.3 本章小结
本章主要讲述了针对节点的构成部分，我们确定了使用MSP430系列芯片为处理芯片，使用CC2520为射频收发芯片，并且ZigBee作为最最适合CC2520的通讯协议，自然地被本设计选用。
第3章硬件电路设计
3.1 硬件电路设计思路
经过第2章的叙述已经确定了完成本设计所需要的主要元器件，所以本章开始讲述低功耗无线传感器网络节点设计的硬件电路的设计。
3.1.1 MSP430系列芯片具体型号的确定
本设计上述已经确定了使用MSP430系列的芯片，由于ZigBee协议所需的Flash大小在70KB左右，RAM大小在6KB左右。能同时满足这两个要求的430单片机型号不多，所以经过查找，发现MSP430f2618芯片，它有有64引脚和80引脚两种封装。为了开发的一致性，我们选用64引脚的封装。这两种封装的差别是80引脚的片子比64引脚的多了两组IO口。64引脚的片子含有6组IO口，基本可以满足大家的开发要求。而且MSP430f2618含有丰富的资源：116KB+256B Flash存储器、8KB RAM、8路具有内部参考电压、采样保持、自动扫描特征的12位ADC、2路同步12位DAC、3个捕获/比较寄存器的16位定时器TA、7个捕获/比较Shadow寄存器的16位定时器TB片上比较器、4个通用串行通信接口（USCI）模块功能非常强大，一般的开发设计都可以满足。因此本设计使用MSP430f2618芯片，作为本设计的低功耗处理器芯片。
3.1.2电路主体结构框架图及其工作原理
图3.1 主体电路结构框架图
首先电源对MSP430F2618芯片、DS18B20数字温度传感器、CC2520收发
芯片进行供电。数字温度传感器进行温度信息的采集，之后传送给处理器芯片，随后处理器芯片处理采集的信息，与此同时处理器芯片也把信息发给无线射频收发芯片，通过其外围收发电路来发射无线信号。当然无线射频收发芯片也可以通过外围收发电路，接收外部信号，通过处理器芯片的处理再把信号发送给网络的其他节点或者用户终端进行收发、处理和显示。
3.2 电路主要部分的设计
3.2.1 MSP430F2618芯片的外围电路及分析
微控制器电路采用MSP430F2618 单片机的典型应用电路.。MSP430F2618是一个16位的单片机，集成了较丰富的片内外设，分别有看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A ( T imer_A )、定时器B（T imer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、8通道12位ADC、I2C 总线直接数据存取（DMA）、端口1~ 6（P1~ P6）、基本定时器（Basic T imer）等外围模块；采用了精简指令集（R ISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；有较高的处理速度，在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns。MSP430F2618单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时, 用中断请求将它唤醒只要用6s，电源电压采用的是1. 8~ 3. 6 V电压。具体MSP430F2618 单片机的典型应用电路，如图3.2所示。
图3.2 MSP430F2618 单片机的典型应用电路
以上本设计已经介绍了，MSP430F2618的基本电路，但是目前只是使用了其中一部分的引脚，还有许多引脚我们没有使用，但是本设计在后续还要使用其他的引脚，而且对芯片引脚功能的了解是对芯片了解的最基本程度，为了后续设计说明的需要，本设计在此要介绍MSP430F2618的引脚功能。其引脚功能如表3.1所示。
表3.1 MSP430F2618引脚功能表