基于射頻芯片和單片機實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的應用方案

傳感器節(jié)點是組成無線傳感器網(wǎng)絡的基本單位，是構成無線傳感器網(wǎng)絡的基礎。本文依據(jù)傳感器節(jié)點功耗低、成本低、體積小等硬件限制條件，設計了一種基于射頻芯片CC2420和單片機MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡的硬件節(jié)點。

硬件節(jié)點設計

在進行無線傳感節(jié)點設計時，應考慮其具有的如下特點：微型化， 應用中的傳感器節(jié)點要高度集成，保證不會對目標系統(tǒng)的特性造成影響，受外形尺寸限制，模塊必須能夠集成更多部件；低功耗，網(wǎng)絡往往部署在無人值守的地方，節(jié)點使用電池供電，不能頻繁更換電池，因此，如何節(jié)省電能是應用的首要問題；運行速度，網(wǎng)絡對節(jié)點的實時性要求很高，要求處理器的實時處理能力要強；擴展接口，多功能的傳感器產(chǎn)品是發(fā)展的趨勢，而在前期設計中，不可能把所有的功能包括進來，這就要求系統(tǒng)有很強的可擴展性；可靠性， 傳感器網(wǎng)絡可以分布在很廣的地域，因此，維護十分困難，傳感器網(wǎng)絡的軟、硬件必須具有高魯棒性和容錯性；盡可能低的成本。

綜合以上考慮，本文設計的傳感器節(jié)點框圖如圖1所示。

傳感器節(jié)點由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源等模塊組成，本方案采用了以MSP430為核心的控制模塊。MSP430在低功耗方面表現(xiàn)出色，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定。以CC2420為無線收發(fā)模塊，MSP430與CC2420通過SPI方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用從模式。節(jié)點的傳感器模塊與主板分離，模塊化的設計提高了節(jié)點在不同應用中的靈活性。由于本節(jié)點為電池供電，要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡單，最好采用不需要復雜信號調理電路的數(shù)字傳感器。

主要芯片介紹

CC2420

CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)芯片。該芯片體積小、功耗低，非常適合于家庭及樓宇自動化、工業(yè)監(jiān)控等應用系統(tǒng)。

CC2420具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶振等非常少的外圍電路就能在2.4GHz頻段工作。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。許多單片機都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地與CC2420配合使用。簡單的外圍電路和處理器接口，使得CC2420可以應用在非常廉價的設備上。

MSP430

MSP430是具有超低功耗特點的16位單片機，本方案選用MSP430F149，其功耗電流已經(jīng)達到了mA級。它是功能強大的CPU內核：16位CPU和高效的RISC指令系統(tǒng)，無外擴的數(shù)據(jù)地址總線，在8MHz時可達到125ns的指令周期，具有16個快速響應中斷，能及時處理各種緊急事件。豐富的片內外圍功能模塊：12位的A/D轉換器ADC12內包括采樣/保持功能的ADC內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發(fā)生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路。有8個外通道，4個內通道，高達200kbps的采樣速率，多種采樣方式。兩路USART通信串口，可用于UART和SPI模式;片內有精密硬件乘法器、兩個16位定時器，6個并行口Pl～P6， 48條I/O口線，其具有64KＢ的閃存，用于存儲采集數(shù)據(jù)。

CC2420與MSP430的

硬件接口電路

CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、 FIFO、 FIFOP、和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài);而處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。

CC2420收到物理幀的SFD字段后，會在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動了地址辨識，在地址辯識失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區(qū)狀態(tài)。如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平;如果接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。當FIFOP引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過某個臨界值時，或者在CC2420接收到一個完整的幀以后輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設置。

CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進入接收狀態(tài)至少8個符號（symbol）周期后，才會在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。

SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設備，接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時，都與時鐘下降沿對齊。CC2420與MSP430是通過SPI連接的，其中，MSP430處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430還有4個I/O與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態(tài)的作用。CC2420與MSP430的接口電路如圖2所示。

節(jié)點設計的要點及注意事項

在設計節(jié)點時，重點是射頻部分， CC2420要求時鐘源的精度在±40ppm以內。本文采用高精度、性能穩(wěn)定的四腳貼片晶振，來避免晶振的漂移。

進行電路板設計時，要采取抗干擾措施：射頻電路沒有用做布線的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽，達到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部應接地；為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個接地過孔將CC 2420芯片底部和地層相連； 器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小的封裝。

另一個要考慮的是天線。天線在無線通信中起著舉足輕重的作用，天線的選擇和設置會直接影響整個無線通信網(wǎng)絡的運行質量。本節(jié)點射頻芯片CC2420可以使用金屬倒F型PCB引線天線和單極天線兩種設計方案。PCB引線天線是印制在電路板上的導線，通過它來感應空中電波、接收信息。PCB天線的形狀、尺寸應嚴格按照數(shù)據(jù)手冊設計。

軟件設計

軟件開發(fā)以IAR Workbench V2.10為平臺，采用C語言編寫，軟件編程的基本思路是：先對SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，對CC2420芯片初始化;開啟接收機后，就可以運行任務程序了，以實現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

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