（中海油惠州炼油分公司生产指挥中心，广东 惠州 516086）郑云

    （中交水运规划设计院有限公司，北京 100007）冀文峰  

                         
    郑云（1971-）男，湖南衡阳人，大学本科，现就职于中海油惠州炼油分公司，任生产指挥中心计量主管，主要从事计量管理工作。

    摘要：ZigBee 是一种新型的低功率、低成本、近距离的无线通信技术，是实现无线传感器网络的理想解决方案。本文介绍了一种基于ZigBee协议的无线超声波传感器设计方案。该液位传感器以CC2420 射频芯片为无线传感器网络接口实现数据的收发，采用低功耗微处理器MSP430F1611 为控制核心。

    关键词：Zigbee；MSP430F1611；cc2420；无线超声波液位传感器

    Abstract: ZigBee is a new low power, low cost , and local wireless communication technology, which is an ideal solution for Wireless sensor networks. The paper introduced the design of ultrasonic instrument for measuring liquid level based on ZigBee. The liquid level sensor takes CC2420 RF chip as Wireless sensor networks interface to send and receive data, and uses low-power microprocessor MSP430F1611 as the control core.

    Key words: Zigbee; MSP430F1611; CC2420; Wireless Ultrasonic Instrument for Measuring Liquid Level

    1 引 言

    基于有线液位传感器信号线和电源线的敷设无法铺设到位、或者成本太高、或者改动太麻烦等因素，本文介绍了一种基于TI公司的MSP430F1611单片机和CC2420射频芯片的Zigbee无线液位传感器，这是因为zigbee是应工业自动化对无线通信和数据传输的需求而产生的，是基于IEEE 802.15.4 无线标准制定的一个低功耗、低成本的无线网络通信技术，有下列独特的技术优势：

    （1）省电——发射功率约为1mW，仅两节五号电池就可以支持长达6个月到两年的使用时间（休眠模式下使用时间更长）相比较蓝牙只能工作数周、WiFi 仅工作数小时，十分省电；

    （2）成本低——传输速率低，协议简单且免收专利费，大大降低了成本；

    （3）可靠——采用碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；

    （4）时延短——优化了时延，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；

    （5）安全—— 提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用通用的AES- 128加密算法；

    （6）工作频段灵活——使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）及915MHz（美国），均为免执照频段。

    这些优势使zigbee协议在化工、电力、冶金、轻工、石油等工业领域中都得到了广泛的研究与应用。

    2 系统硬件设计

    基于MSP430F1611的zigbee超声波液位传感器网络的拓扑结构如图1所示，主要由超声波液位传感器、zigbee射频芯片、计算机三部分组成。本文主要介绍无线超声波液位传感器节点的设计。无线超声波液位传感器主要由传感器、射频芯片和控制器三部分组成，其硬件连接如图2所示。  

                     

                     
                                  图2  无线超声波液位传感器硬件结构图         
          
    2.1 超声波液位传器

    超声波液位测量系统主要包括：与所选换能器相匹配的驱动单元，回波信号接收单元以及测量系统软件单元等三部分，如图3所示。 

              
                                      图3  超声波液位传感器结构图  

    驱动单元负责将软件单元产生的数字、低压、低功率驱动信号转换成模拟、高压、大功率的驱动信号来驱动换能器，使其得到足够强的驱动能量，并产生较高能量的超声波用于测量。接收单元包括：接口电路，程控放大电路，带通滤波电路以及检波整形电路等部分。接口电路将驱动换能器的高压、大功率信号与换能器接收到的低压、小功率的回波信号隔离，避免高压进入接收电路并使较微弱的回波信号顺利接收，同时避免回波信号进入驱动级；程控放大电路用来将接收到的回波信号进行受控的放大，使回波信号在适于采样的范围内动态的变化；带通滤波电路将经过放大的回波信号净化，滤除接收频率通道之外的干扰信号；检波整形电路将较高频率的回波信号转换成便于A/D转换的较低频率的信号。

    2.2 MSP430F1611单片机介绍

    MSP430F1611是Texas Instruments（德州仪器）公司推荐出高集成度、高精度的单芯片系统，是目前工业界中具有最低功耗的16位RISC混合信号处理器。具有极低的工作电压，在1.8～3.6 V之间均可正常工作；极小的功耗，在活动模式时，工作电流仅需280μA，在休眠模式下只需要116μA，在关闭状态仅仅需要11μA。MSP430F1611具有丰富的外设，具有8路12位的A/D，2路12位的D/A转换器，大大简化了系统的硬件设计，并提高了系统的性价比。MSP430单片机内部具有3个时钟信号，包括1个高频时钟，1个低频时钟和1个DCO。灵活的时钟选择使得系统可以在最合理的时钟下进行工作，大大降低了系统的功耗，方便了系统的设计。MSP430还有着丰富的外围接口，包括标准串口，SPI接口，I2C接口，方便连接多种设备。TI公司推出了基于MSP430F1611单片机的Zigbee通信协议栈，便于系统开发，开发者可以从繁琐的通信程序开发中解放出来，更专注于应用系统开发。

    2.3 射频接口电路

    C C2 4 2 0 是C h i p c o n A s 公司推出的首款符合2 . 4GHzIEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250Kbps可以实现多点对多点的快速组网。CC2420的主要性能参数如下：

    工作频带范围：2.400～2.4835GHz；

    采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式；

    数据速率达250Kbps码片速率达2MChip/s；

    采用o-QPSK调制方式；

    超低电流消耗（RX: 19.7mA，TX: 17.4mA）高接收灵敏度（-99dBm）；

    抗邻频道干扰能力强（39dB）；

    与控制微处理器的接口配置容易（4总线SPI接口）；

    开发工具齐全提供有开发套件和演示套件；

    采用QLP-48封装，外形尺寸只７×７mm。

      硬件电路如图4所示。  

                        
                                        图4  cc2420硬件电路  

    3 系统软件设计

    本系统的软件主要包括无线收发程序、液位采集程序、主程序，本文着重介绍无线收发程序的设计过程。接收数据帧时， CC2420自动计算帧的CRC校验，要人工检查接收帧的最后一个字节的CRC校验位。CC2420处于接收模式12个信号周期后开始接收数据。具体流程如图5所示。
   
                                    

    因此必须在数据包的发送过程中加入等待时间以便CC2420检查和接收数据。无线数据帧发送时，CC2420自动在数据包的开始处加上前导码和帧起始分隔符在数据包末尾加CRC检验。按以下步骤进行数据发送：

    （1）把数据流按顺序存入TX FIFO；

    （2）检查CCA信号并且在信道空闲时才进行操作；

    （3）执行STXON命令寄存器；

    （4）在任何新数据写入TX FIFO前请确认SFD变高后变低（发送完）并且已经等待了至少60个时钟周期。

    具体发射子程序流程图见图6所示。
   
                                  

    4 结论

    将Zigbee技术于液位传感器相结合，利用低功耗的单片机MSP430F1611实现无Zigbee液位传感器的设计，结构简单、体积小、功耗低、运行稳。试验结果表明，采用Zigbee技术实现传感器数据的无线传输是完全可行的，具有数据传输准确稳定的特点。目前该液位传感器网络已应用于水污染源远程监控系统，实践证明，该系统可以在较恶劣的环境下正常工作，性能良好。

    参考文献：

    [1] CHIPCON. CC2430 PRELIMINARY data sheet (rev. 1.03)SWRS036A[M]. CHIPCON, 2005.

    [2] 霍峰.ZigBee 技术在工业控制领域的应用研究[J]. 今日电子.2007.

    [3] REESE R.A ZigbeeTM- subset/IEEE 802.15.4TMmultiplatform Protocol Stack. In: Electrical/Computer Engr MSU,editor.2006.

    [4] SmartRF CC2420 -2004.2.4GHzIEEE802.15.4/Zigbee ready RF Transceiver[Z].ChipCon INC, 2004
   
    摘自《自动化博览》2010年第十二期