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2025年4月17日星期四
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基于射频芯片AT86RF230实现 无线传感器网络节点的设计

Design of the Node of Wireless Sensor Network Based on RF Chip AT86RF230

海军工程大学电子工程学院 金芳 吴学智 沈斌



ZigBee是一种基于IEEE802.15.4规范的无线技术,是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案,主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4 标准,在数千个微小的传感器之间实现了相互协调和通信。它具有在IEEE802.15.4规范上创建的安全和应用层接口、工作于免授权的2.4GHz频段、以年计算的超低电池寿命、极大可伸缩的网络和星型网络拓扑(每个主设备可支持4万多个节点)等诸多优点,在国防军事、工业控制、消费性电子设备等领域有很大的发展空间。

AT86RF230是Atmel公司于2007年2月新推出的一款基于ZigBee/IEEE802.15.4设计的低功率2. 4GHz无线收发芯片。


AT86RF230芯片介绍

AT86RF230单个芯片集成了除天线、晶振和去耦合电容之外的所有标准射频单元。其内部结构如图1 所示。

图1 AT86RF230芯片内部结构(略)

单片射频收发芯片为天线和微控制器之间提供了完整的无线接口。它由模拟无线模块,含有时间和频率同步及数据缓冲的数字调制模块组成。外围电路只需天线、晶振和四个去耦合电容以达到最简。双向的天线引脚可供发送和接收模块使用,无需天线转换装置。

信道滤波器由3个单边带RC回路构成的2MHz巴特沃兹带通滤波器组成。两个高优先级高通滤波器加入信号通道实现与单边带滤波器输出的电容耦合,以抑制直流偏置。三级放大器为克服后面单信道模数转换器产生的直流偏置提供足够的增益。

直接压控振荡器调制用以产生发射信号。调制模块输出单极脉冲波形和32位长块编码。当转化为合适的传输码序列时,与最小频移键控相当。

两片低跌落电压调节器提供1.8V模拟和数字电压。当调节器关闭时,串行外围设备接口和控制寄存器在休眠模式将会保持原有设置。接收和发送信号处理通道高度集成和优化以达到低耗电。


硬件设计

硬件设计结构组成

传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元以及电源管理单元等模块组成。节点硬件结构由图2所示。微处理器ATmega128通过SPI总线与射频收发芯片AT86RF230进行通信。数据采集单元主要对外界的信息进行感知和采集,包括光、温度、湿度、加速度 、光电、液位、热释电、磁感应、压力等传感器。为适应多种应用,设计了通用接口,通用接口中有适配电路,以适应不同电参数部件直接接入系统。通常节点的输出控制器即通过该通用接口接入。数据采集模块也利用通用接口与微处理器相连结,因此可以根据多种不同应用随时更换为各类型的模拟传感部件(本文以LM60系列温度传感器为例进行介绍)。数据处理单元采用ATMEL公司的8位低功耗微处理器Atmega128L作为控制核心。Atmega128L是基于AVR RISC结构的低功耗CMOS 8位微处理器,相对于其它通用的8位微控制器来说,它具有更加丰富的资源,并且具有极低的功耗。更值得一提的是,除了正常 操作模式外,它还具有六种不同等级的低功耗操作模式。因此该微处理器非常适合于ZigBee无线通信节点这种需要低功耗的应用场合。数据传输单元采用AT86RF230芯片,并使用单极天线(有效覆盖范围70m~100m )。处理器通过 SPI 接口编程控制寄存器,同时完成与AT86RF230交换数据。为节约能源,通用接口模块与微处理器间的信号传输采用单总线方式。根据各个电路特点、设定不同的时钟周期,在自己的时钟周期到来时,方能与MCU进行通信,其余时间不工作以便降低功耗。