四 硬件设计
4.1传感器节点模块化设计
传感器节点一般由数据采集单元、数据处理单元，通信单元( 即射频模块) 和电源单元组成，其结构如图5.1所示。
传感器模块PH传感器温度传感器浊度传感器信号调理电路电源模块处理器模块处理器无线射频模块UART接口网关节点存储器
图5.1 无线传感器节点结构图
由于无线传感网络在通信上消耗较大能量，故处理器选用功耗较小的CC2530 为通信器件，设计无线网络节点。数据采集模块利用传感器监测外部环境，本作品中负责采集水的温度、PH值、浊度等水质信息，通过信号的调理输出，并传送给处理器进行处理。
4.2CC2530芯片概述
4.2.1CC2530芯片基本介绍
ZigBee新一代SOC芯片CC2530是真正的片上系统解决方案，支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE和能源的应用。拥有庞大的快闪记忆体多达256个字节，CC2530是理想ZigBee专业应用。支持新RemoTI的ZigBee RF4CE ，这是业界首款符合ZigBee RF4CE兼容的协议栈，和更大内存大小将允许芯片无线下载，支持系统编程。此外，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8 kB的RAM ，32/64/128/256 KB闪存，以及其他强大的支持功能和外设。
11
CC2530芯片具有如下主要性能：
（1）高性能和低功耗的8051微控制器核；
（2）32-KB、64-KB、128-KB或256KB的系统内可编程闪存； （3）8-KB RAM，具备在各种供电方式下的数据保持能力；
（4）集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机； （5）极高的接收灵敏度和抗干扰性能； （6）可编程的输出功率高达4.5dBm；
（7）只需一个晶振，即可满足网状网络系统的需要； （8）硬件支持CSMA/CA功能； （9）较宽的电压范围（2.0～3.6V）。
4.2.2CC2530芯片引脚介绍
CC2530芯片如图5.2所示。它采用6 mm×6 mm的QFN封装，共有40个引脚。全部引脚可以分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。
P2-3/XOSC32K-Q2P2-4/XOSC32K-Q132DCOUPLDVDD1GNDGNDGNDGNDP1-5P1-4P1-3P1-2P1-1DVDD21234567894039383736353433AVDD63130292827RBIASAVDD4AVDD1AVDD2RF-NRF-PAVDD3XOSC-Q2XOSC-Q1AVDD520262524232221P1-6P1-7P2-0P2-116GNDGround Pdd101112131415P2-2171819RESET-NP1-0P0-7P0-6P0-5P0-4P0-2P0-1P0-3P0-0
图5.2 CC2530芯片引脚
1. I/O端口线引脚功能
CC2530有21个可编程的I/O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只
12
有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I/O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I/O口使用。
2 电源引脚功能 AVDD1（28脚）：为模拟电路连接2.0V～3.6V的电压。 AVDD2（27脚）：为模拟电路连接2.0V～3.6V的电压。 AVDD3（24脚）：为模拟电路连接2.0V～3.6V的电压。 AVDD4（29脚）：为模拟电路连接2.0V～3.6V的电压。 AVDD5（21脚）：为模拟电路连接2.0V～3.6V的电压。 AVDD6（31脚）：为模拟电路连接2.0V～3.6V的电压。 DCOUPL（40脚）：提供1.8V的数字电源去耦电压，不使用外部电路供应。 DVDD1（39脚）：提供2.0V～3.6V的数字电源连接电压。 DVDD2（10脚）：提供2.0V～3.6V的数字电源连接电压。 3. 控制线引脚 RBIAS（30脚）：为参考电流提供精确的偏置电阻。 RESET_N（20脚）：复位引脚，低电平有效。 RF_N（26脚）：在RX期间向LNA输入负向射频信号。 RF_P（25脚）：在RX期间向LNA输入正向射频信号。 XOSC_Q1（22脚）：32MHz的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。 XOSC_Q2（23脚）：32MHz的晶振引脚2。
4.3温度传感器调理电路设计
温度传感器采用 Dallas 公司推出的 DS18B20 数字式温度传感器，磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于空间狭小的应用场合。只需单线接口，电路简单不需要 AD 转换器件和其它外围电路，缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。DS18B20 的封装有 3 脚、6 脚和 8 脚三种方式。本次设计中选用的是 3 引脚方式（TO-92 封装），如图5.6所示。其中 DQ 为数字信号输入/输出端，GND 为电源地，VCC 为外接供电电源输入端（以寄生供电方式时接地）。系统把 DQ 端连接到 CC530的 P0.0 口，通过对 DS18B20 的初始化，温度转换和读取等指令来测量室内质温度。
13
图5.6 温度传感器测量电路
4.4网络协调器外围电路设计
网络协调器的外围电路都放在扩展板上，主要包括电源、串口等外围电路，用于支持ZigBee 模块工作以及和 PC 机的通信。网络协调器是整个网络中功耗最大的模块，因此网络协调器用的电源是通过 220V 交流电源转换而来，而不是 ZigBee 网络中的常用的电池。在设计时为了简化电路、降低功耗，网络协调器上所有芯片都选用工作电压为 3.3V 的，该模块只需要 3.3V 电源供电，如图5.7所示。
图5.7 节点电源处理模块
图5.8 传感器电源处理模块
14
图5.8中D1、D2的作用是防止输出电压大于输入电压导致烧坏7812或者7805。得到5V电源后再通过一个低压差线性稳压器（LDO：Low Dropout Regulator）将5V电源转换为工作电压3.3V给整个模块供电，LDO选用TI公司REG1117-3.3稳压器，该芯片电路简单，质量可靠，价格低。
15