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案例頻道 （中海油惠州煉油分公司生產指揮中心，廣東 惠州 516086）鄭云
（中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007）冀文峰
鄭云（1971-）男，湖南衡陽人，大學本科，現就職于中海油惠州煉油分公司，任生產指揮中心計量主管，主要從事計量管理工作。
摘要：ZigBee 是一種新型的低功率、低成本、近距離的無線通信技術，是實現無線傳感器網絡的理想解決方案。本文介紹了一種基于ZigBee協議的無線超聲波傳感器設計方案。該液位傳感器以CC2420 射頻芯片為無線傳感器網絡接口實現數據的收發，采用低功耗微處理器MSP430F1611 為控制核心。
關鍵詞：Zigbee；MSP430F1611；cc2420；無線超聲波液位傳感器
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
基于有線液位傳感器信號線和電源線的敷設無法鋪設到位、或者成本太高、或者改動太麻煩等因素，本文介紹了一種基于TI公司的MSP430F1611單片機和CC2420射頻芯片的Zigbee無線液位傳感器，這是因為zigbee是應工業自動化對無線通信和數據傳輸的需求而產生的，是基于IEEE 802.15.4 無線標準制定的一個低功耗、低成本的無線網絡通信技術，有下列獨特的技術優勢：
（1）省電——發射功率約為1mW，僅兩節五號電池就可以支持長達6個月到兩年的使用時間（休眠模式下使用時間更長）相比較藍牙只能工作數周、WiFi 僅工作數小時，十分省電；
（2）成本低——傳輸速率低，協議簡單且免收專利費，大大降低了成本；
（3）可靠——采用碰撞避免機制，避免了發送數據時的競爭和沖突；
（4）時延短——優化了時延，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短；
（5）安全—— 提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用通用的AES- 128加密算法；
（6）工作頻段靈活——使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）及915MHz（美國），均為免執照頻段。
這些優勢使zigbee協議在化工、電力、冶金、輕工、石油等工業領域中都得到了廣泛的研究與應用。
2 系統硬件設計
基于MSP430F1611的zigbee超聲波液位傳感器網絡的拓撲結構如圖1所示，主要由超聲波液位傳感器、zigbee射頻芯片、計算機三部分組成。本文主要介紹無線超聲波液位傳感器節點的設計。無線超聲波液位傳感器主要由傳感器、射頻芯片和控制器三部分組成，其硬件連接如圖2所示。
圖2 無線超聲波液位傳感器硬件結構圖
2.1 超聲波液位傳器
超聲波液位測量系統主要包括：與所選換能器相匹配的驅動單元，回波信號接收單元以及測量系統軟件單元等三部分，如圖3所示。
圖3 超聲波液位傳感器結構圖
驅動單元負責將軟件單元產生的數字、低壓、低功率驅動信號轉換成模擬、高壓、大功率的驅動信號來驅動換能器，使其得到足夠強的驅動能量，并產生較高能量的超聲波用于測量。接收單元包括：接口電路，程控放大電路，帶通濾波電路以及檢波整形電路等部分。接口電路將驅動換能器的高壓、大功率信號與換能器接收到的低壓、小功率的回波信號隔離，避免高壓進入接收電路并使較微弱的回波信號順利接收，同時避免回波信號進入驅動級；程控放大電路用來將接收到的回波信號進行受控的放大，使回波信號在適于采樣的范圍內動態的變化；帶通濾波電路將經過放大的回波信號凈化，濾除接收頻率通道之外的干擾信號；檢波整形電路將較高頻率的回波信號轉換成便于A/D轉換的較低頻率的信號。
2.2 MSP430F1611單片機介紹
MSP430F1611是Texas Instruments（德州儀器）公司推薦出高集成度、高精度的單芯片系統，是目前工業界中具有最低功耗的16位RISC混合信號處理器。具有極低的工作電壓，在1.8～3.6 V之間均可正常工作；極小的功耗，在活動模式時，工作電流僅需280μA，在休眠模式下只需要116μA，在關閉狀態僅僅需要11μA。MSP430F1611具有豐富的外設，具有8路12位的A/D，2路12位的D/A轉換器，大大簡化了系統的硬件設計，并提高了系統的性價比。MSP430單片機內部具有3個時鐘信號，包括1個高頻時鐘，1個低頻時鐘和1個DCO。靈活的時鐘選擇使得系統可以在最合理的時鐘下進行工作，大大降低了系統的功耗，方便了系統的設計。MSP430還有著豐富的外圍接口，包括標準串口，SPI接口，I2C接口，方便連接多種設備。TI公司推出了基于MSP430F1611單片機的Zigbee通信協議棧，便于系統開發，開發者可以從繁瑣的通信程序開發中解放出來，更專注于應用系統開發。
2.3 射頻接口電路
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標準的射頻收發器。該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術，以0.18um CMOS工藝制成，只需極少外部元器件，性能穩定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達250Kbps可以實現多點對多點的快速組網。CC2420的主要性能參數如下：
工作頻帶范圍：2.400～2.4835GHz；
采用IEEE802.15.4規范要求的直接序列擴頻方式；
數據速率達250Kbps碼片速率達2MChip/s；
采用o-QPSK調制方式；
超低電流消耗（RX: 19.7mA，TX: 17.4mA）高接收靈敏度（-99dBm）；
抗鄰頻道干擾能力強（39dB）；
與控制微處理器的接口配置容易（4總線SPI接口）；
開發工具齊全提供有開發套件和演示套件；
采用QLP-48封裝，外形尺寸只７×７mm。
硬件電路如圖4所示。
圖4 cc2420硬件電路
3 系統軟件設計
本系統的軟件主要包括無線收發程序、液位采集程序、主程序，本文著重介紹無線收發程序的設計過程。接收數據幀時， CC2420自動計算幀的CRC校驗，要人工檢查接收幀的最后一個字節的CRC校驗位。CC2420處于接收模式12個信號周期后開始接收數據。具體流程如圖5所示。
因此必須在數據包的發送過程中加入等待時間以便CC2420檢查和接收數據。無線數據幀發送時，CC2420自動在數據包的開始處加上前導碼和幀起始分隔符在數據包末尾加CRC檢驗。按以下步驟進行數據發送：
（1）把數據流按順序存入TX FIFO；
（2）檢查CCA信號并且在信道空閑時才進行操作；
（3）執行STXON命令寄存器；
（4）在任何新數據寫入TX FIFO前請確認SFD變高后變低（發送完）并且已經等待了至少60個時鐘周期。
具體發射子程序流程圖見圖6所示。
4 結論
將Zigbee技術于液位傳感器相結合，利用低功耗的單片機MSP430F1611實現無Zigbee液位傳感器的設計，結構簡單、體積小、功耗低、運行穩。試驗結果表明，采用Zigbee技術實現傳感器數據的無線傳輸是完全可行的，具有數據傳輸準確穩定的特點。目前該液位傳感器網絡已應用于水污染源遠程監控系統，實踐證明，該系統可以在較惡劣的環境下正常工作，性能良好。
參考文獻：
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[4] SmartRF CC2420 -2004.2.4GHzIEEE802.15.4/Zigbee ready RF Transceiver[Z].ChipCon INC, 2004
摘自《自動化博覽》2010年第十二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號