基于ZigBee 技术的无线通信模块研究

严林波

（南昌理工学院 电子与信息学院，江西 南昌330044）

当前是一个全球经济化时代，我国无线通信模块设计工作要与时俱进，跟上时代前进的脚步。在现代无线通信市场行业中，ZigBee 技术作为一种具有明显应用优势的无线通信技术，通过将其科学实践应用在无线通信模块设计工作中，能够有效构建出一种低功耗、低成本的小区域范围无线通信方式，满足市场用户对应的无线网络通信需求。ZigBee 技术具有极为强大的无线网络连接功能，能够同时支持星状、网状以及树状三种不同类型的网络架构。因此，基于ZigBee 技术的无线通信模块创新设计应用，能够发挥出明显的优势作用，在各个领域中都能够取得良好的工作成果。

1 ZigBee 技术的主要特点

ZigBee 技术是现代社会生活发展中应用最为广泛的一种通信技术，就如WIFI 一样该项技术能够让一些设备高效接入到互联网中，实现对无线数据的快速准确传输。ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4 协议发展起来的一种短距离无线通信技术，该项技术作为显著的特点主要体现在以下几方面内容：a.低功耗。由于ZigBee 技术实践应用的传输速率较低，其发射功率仅仅只有1mW，如果是在低耗电待机模式下，根据相关试验数据显示，生活中2 节普通的5 号干电池能够支持1 个节点工作6-24 个月，甚至更长的市场，而蓝牙设备的电量往往只能够持续工作数小时，这是其他无线设备望尘莫及的[1]；b.低成本。在标准协议制定应用下，ZigBee 技术对通信控制器并没有提出较高的要求。比如以市场上的8 位微控制器测算为例，所有功能的主节点只需要32KB 代码。并且，市场面的ZigBee 协议是免专利费的，每个ZigBee 模块的初始成本在6 美金左右，当前市场上每块芯片价格更是低至2 美金，这无疑促使ZigBee 技术比起其他无线短距离通信技术更加具有成本优势；c.时延短。ZigBee 技术应用还具有响应效率高的优势特点，通常情况下该项技术从睡眠状态转换到运行工作状态只需要15ms，通过实践应用该项无线通信技术能够有效降低更多不必要的电能损耗。与其他无线短距离通信技术相比较，其更加具有优势，像我们生活中常用到的WIFI需要经过3s 才接入到网络；d.网络容量大。与其他无线通信相比较，ZigBee 技术还具有网络容量大的优势特点，该项技术能够有效支持星状、片状以及网状网络结构。比如，一个星状网络结构的ZigBee 网络最大程度可以有效容纳254 分从设备和1 个主设备，并且一个区域范围内能够同时存在最多100 个ZigBee网络，网络组成有着高度灵活的特点，此外在一个网络中能够有65000 个节点进行连接。

2 基于ZigBee 技术的无线通信模块的硬件设计

2.1 电路实现方案优化设计

ZigBee 技术应用下无线通信模块硬件电路设计可以通过综合采用MSP430F149 单片机与CC2420 射频芯片进行无线通信，其能够科学有效控制CC2420 射频芯片完成对数据信息的无线传输操作，如下图1 所示为硬件模块框图。从该图我们可以得知，系统硬件构建部分主要包括了CC2420 射频芯片、MSP430F149 单片机以及电源管理模块等。设计人员要严格按照ZigBee 技术的应用优势特点，合理选择相对应的系统器件，并认真做好每个模块的技术调试工作，充分保障能够符合硬件系统优化设计要求[2]。在该系统中MSP430F149 单片机起到的作用是实现对全部节点的有效控制操作，具体涵盖了数据信息管理与任务管理。CC2420 射频芯片负责连接SPI 接口实现与MCU 的有效通信，并完成对各项数据的接收和传递。

图1 硬件模块框图

2.2 MSP430F149 单片机外围电路优化设计

MSP430F149 单片机是一种属于MSP430 系列的单片机，该单片机应用最为显著的优势特点是低功耗、处理能力强以及丰富片上外围模块。首先，MSP430F149 单片机应用采用了3.3V的电源电压，其待机电流要小于1uA，其运行作业时250uA/MIPS。 MSP430F149 单片机能够同借助控制时钟去打开或者关闭实现对总体功耗的科学有效控制；然后，MSP430F149 单片机还具有强大的处理能力。该系列单片本身就有着先进完善的体系结构，无论是数据处理能力，还是运算能力都是较为突出。此外，该系列单片机还会有着只有在DSP 中出现的硬件结构，能够帮助用户完成对数字信号的高效处理；最后，MSP430F149 单片机有效集成了丰富的片内外设。比如，市场中常见的实时时钟模块、电源电压控制器、运算放大器以及LCD 驱动器等片内外设都被广泛应用在MSP430 系列单片机中，能够赋予该系类单片机强大的功能，方便用户简单操作使用该系列单片机。MSP430F149 单片机是基于ZigBee 技术无线通信模块硬件系统设计的核心所在，其外围电路涵盖了CC2420的接口电路、JTAG 接口电路等。设计人员需要运用到高速串行接口SPI 实现MSP430F149 单片机与CC2420 射频芯片的通信，并保证能够顺利传递数据与发送各种指令。SPI 接口有着4 个引脚，它们分别是MOSI、SPICLK、MISO 以及SS。不同引脚起到了不同的功能作用，比如MOSI 引脚主要负责对主数据的输出，从数据输入引脚。如下图2 所示，为MSP430F149 单片机与CC2420 射频芯片的接口电路图。

图2 MSP430F149 单片机与CC2420 射频芯片的接口电路图

MSP430F149 单片机与CC2420 的四个引脚SFD、FIFO、CCA、FIFOP 相互连接，以此来表示收发数据的实际状态。如下图3 所示为MSP430F149 单片机电路设计图。

图3 MSP430F149 单片机电路设计图

2.3 CC2420 无线通信模块电路设计

CC2420 作为一种先进的射频收发器件，其运行功耗较低、运行状态稳定。技术人员在设计CC2420 的外围电路时，可以将其科学划分为3 个不同部分，分别是时钟电路、射频收发匹配电路以及控制器接口电路。外围电路中的控制器接口电路部分是比较容易就能够设计完成的，只需要将SPI 接口与控制器有效连接在一起。设计人员需要将对应的引脚相互连接在一起。其中42 引脚在与其他引脚进行相连时，需要有效为该连接电路提供1.8v 电压，只有这样才可以达到CC2420 射频芯片内部电路运行的电压要求。38、39 引脚有效连接外部晶振[3]，45 引脚外接偏置电阻，这样就能够为模拟输出引脚。

3 基于ZigBee 技术的无线通信模块的软件设计

3.1MSP430F149 单片机集成开发环境

在MSP430F149 单片机集成开发环境设计过程中，技术人员需要运用到专业的IAR 软件，在该软件操作界面中合理选择应用调试工具。技术人员可以通过操作Debugger 有效下载相应的源程序，倘若在整个操作过程中没有遇到任何提示障碍，都是正常进行的那么就可以展开仿真操作，而倘若产生了错误提示，技术人员就需要重新回到IAR 软件Embedded Workbench 界面进行调整，最终再展开编译与下载操作。技术人员在软件源程序下载界面上，可以依次展开断点设置、连续以及查看变量等各项操作。倘若技术人员需要进行对源程序的优化调整，那么就要重新回到源程序的下载步骤，直到全部完成仿真调式。

3.2 配置IEEE802.15.4 工作模式

ZigBee 技术是基于IEEE802.15.4 协议发展起来的一种短距离无线通信技术，该项协议提出必须使用DSSS 调制形式的工作模式。其中，IEEE802.15.4 标准2.4GHz 频段物理层可以实现250kbps 的数据速率，且其中的二进制信息均需要为有效映射的数据符号。接着不同符号映射为32 位码片的PN 序列。码片象征着对应的数据符号，需要运用到半正弦脉冲波形的O-QPSK 调制到载波上，码片速率通常是符号速率的32 倍。CC2420 为IEEE802.15.4 标准规范中的数据帧格式有效提供了硬件支持，SHR 同步头涵盖了帧引导序列和帧开始定界符SFD，其中真引导序列的字节数是由4 个0X00 组成的，而帧开始定界符通常为一个字节，被设置成0XA7，能够配置CC2420的帧引导序列的长度和帧开始定界符[4]。当技术人员需要对物理层中的帧引导序列进行参数设置时，就需要科学运用到RF寄存器中的MDMCTRL0.PREAMBLE＿LENGTH，而如果是对帧开始定界符进行参数设置，就要运用到寄存器中的SYNCWORD。物理层协议数据单元PPDU 主要可以被划分了三个部分，它们分别是同步头SHR、物理层帧头PHR、有效载荷部分PSDU。

结束语

综上所述，在ZigBee 技术支持下的无线通信模块设计过程中，可以综合采用到MSP430F149 单片机作为系统主控芯片，该单片机可以通过SPI 接口与CC2420 射频芯片完成短距离无线通信，并控制射频收发芯片工作。技术人员可以采用C 语言去编写软件程序，利用专业的IAR 软件去创建单片机集成开发环境，实现对源程序的下载调式。