淺述關(guān)于CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

“在簡要介紹無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)Chipcon公司開發(fā)的內(nèi)嵌51內(nèi)核的單片可編程UHF收發(fā)器芯片CC2510的功能特點(diǎn)進(jìn)行了研究，并結(jié)合其工作原理與應(yīng)用電路，對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)功能模塊及設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。最后基于CC2510的原理設(shè)計(jì)了一個(gè)新的無線傳感網(wǎng)”

1 引言

近年來，隨著無線通信、集成電路、傳感器和微機(jī)電系統(tǒng)等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得低成本、低功耗、多功能的微型無線傳感器的大量生產(chǎn)成為可能，這些微型無線傳感器具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，因此，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣泛［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由這些傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織起來的，傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)可以隨機(jī)或者特定地布置于目標(biāo)環(huán)境中，它們之間通過特定的協(xié)議自組織起來，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務(wù)。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、成本低、具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，無線傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定運(yùn)行是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可靠性的基本保證［2］。無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)傳感和信息預(yù)處理，響應(yīng)監(jiān)控主機(jī)和指令發(fā)送數(shù)據(jù)，一般由數(shù)據(jù)采集模塊（傳感器、A /D轉(zhuǎn)換器） 、數(shù)據(jù)處理和控制模塊（微處理器、存儲(chǔ)器）、通信模塊（無線收發(fā)器）和供電模塊（電池、DC /DC能量轉(zhuǎn)換器）等組成，如圖1所示。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的功能都是相同的，大量傳感器節(jié)點(diǎn)被布置在整個(gè)被觀測區(qū)域中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)將自己所探測到的有用信息通過初步的數(shù)據(jù)處理和信息融合后傳送給用戶，數(shù)據(jù)傳送的過程是通過相鄰節(jié)點(diǎn)的接力傳送的方式傳送回基站，然后通過基站以衛(wèi)星信道或者有線網(wǎng)絡(luò)連接的方式傳送給最終用戶。

因此，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可以充當(dāng)數(shù)據(jù)采集者、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或類頭節(jié)點(diǎn)（ cluster-head node）的角色。作為數(shù)據(jù)采集者，數(shù)據(jù)采集模塊收集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)（如溫度、濕度等） ，通過通信路由協(xié)議直接或間接將數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)方

基站或匯節(jié)點(diǎn);作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站，節(jié)點(diǎn)除了完成采集任務(wù)外，還要接收鄰居節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)發(fā)給距離基站更近的鄰居節(jié)點(diǎn)或者直接轉(zhuǎn)發(fā)到基站或匯節(jié)點(diǎn);作為類頭節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集該類內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)送到基站或匯節(jié)點(diǎn)。

相對(duì)于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有一些明顯的技術(shù)特點(diǎn)：

1） 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，單位面積大，所擁有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)。

2） 傳感器節(jié)點(diǎn)由電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限，由干節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，而且無線傳感器網(wǎng)絡(luò)往往應(yīng)用于人們難以直接操作的地方，因此更換傳感器節(jié)點(diǎn)電池是不現(xiàn)實(shí)的，這決定了傳感器節(jié)點(diǎn)生命和網(wǎng)絡(luò)壽命的有限性。

3） 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備容錯(cuò)能力。傳感器節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境通常比較惡劣（如噪聲、風(fēng)吹雨淋等） ，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)易受干擾、易出錯(cuò)，這要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有容錯(cuò)能力才會(huì)有應(yīng)用前景［3］。

根據(jù)以上幾點(diǎn)， Chipcon公司最新生產(chǎn)的CC2510芯片應(yīng)用于節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是非常合適的，有廣闊的應(yīng)用發(fā)展前景。

3CC2510芯片的功能特點(diǎn)

Chipcon公司的CC2510芯片是一塊內(nèi)嵌8051單片機(jī)的單片可編程UHF收發(fā)器芯片，其引腳圖如圖2所示［4］。該芯片除了以8051技術(shù)為核心外，還內(nèi)嵌32kB的Flash存儲(chǔ)器、4kB的SRAM，以及8通道8-14 bit A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器、2個(gè)UART/SPI、RTC、看門狗電路、DES編碼和21個(gè)通用I/O。芯片的高度集成結(jié)構(gòu)使其具有高速度、高靈敏度性、低功耗、低成本、集成單片機(jī)和位判決、同步、頻率靈活性等特點(diǎn)。

主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻帶2.4GHz，頻率穩(wěn)定性極好;接收靈敏度 -100dBm （典型） ;輸出功率可以調(diào)整，從－30dBm～0dBm;無線數(shù)據(jù)傳輸最大速度500kbit/s;采用低供電電壓（2.3V～3.6V） ，可以使用兩節(jié)AA或AAA電池供電;非常低的電流消耗;無線信號(hào)強(qiáng)度監(jiān)測功能RSSI;電磁兼容為EN300 220 /FCC CFR47 part 15; 36引腳、極小型QLP封裝;工作溫度范圍為-40℃～85℃，適應(yīng)任何惡劣環(huán)境。

通過Chipcon公司提供的基于Windows的SmartRF Studio軟件， CC2510芯片對(duì)于不同的應(yīng)用場合能配置出最佳性能。SmartRF Studio將根據(jù)用戶輸入的各項(xiàng)參數(shù)給出所有必需的CC2510芯片配置信息，這些16進(jìn)制數(shù)作為CC2510芯片的配置信息將被輸入到微控制器中。根據(jù)配置信息，寄存器能改變以下主要參數(shù)： 接收/發(fā)送模式， 傳輸率和數(shù)據(jù)格式（NRZ、曼徹斯特碼或UART接口） ，頻率合成主要參數(shù)，頻率合成鎖定指示模式，可選RSSI或外部IF以及晶體振蕩開/關(guān)模式等。同時(shí)，由于CC2510芯片是以一個(gè)有長遠(yuǎn)應(yīng)用背景的8051內(nèi)核為核心，很多流行的8051開發(fā)軟件、開發(fā)工具，都可以用于該芯片的軟件開發(fā)，例如著名的的KEIL C51開發(fā)工具和UV2集成開發(fā)環(huán)境等。

4基于CC2510的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

CC2510芯片在應(yīng)用方面易于擴(kuò)展，只需要少許外圍元件就可以與傳感器系統(tǒng)相接，也可以方便地連接計(jì)算機(jī)的RS232串口。圖3為應(yīng)用CC2510芯片的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)框架。圖4為基于CC2510所設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路。

編輯：jq