基于CC2420的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外通信領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，它在軍事、民用及工商業(yè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，隱蔽地分布在戰(zhàn)場(chǎng)上的傳感器可將獲取的信息回給指揮部；在民用領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在家居智能化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療保健、災(zāi)害預(yù)測(cè)等方面得到廣泛應(yīng)用；在工商業(yè)領(lǐng)域，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)自動(dòng)化、空間探索和其他商業(yè)用途卜得到廣泛應(yīng)用。

考慮到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在通信上消耗能量較大，故選用功耗較小的CC2420芯片作為通信芯片來(lái)設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的特征

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小、能耗低、具有無(wú)線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)組成。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)是尤線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)對(duì)周圍信息的采集和處理，并發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點(diǎn)或?qū)⑾噜徆?jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給基站或更靠近基站的節(jié)點(diǎn)。它一般由傳感器模塊(傳感器、A／D轉(zhuǎn)換器)、處理器模塊(微處理器、存儲(chǔ)器)、無(wú)線通信模塊(無(wú)線收發(fā)器)和能量供應(yīng)模塊(電池)組成，如圖1所示。

所有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都具有相同的功能，但在某一時(shí)刻，各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能正在執(zhí)行不同的功能。根據(jù)功能，可以把節(jié)點(diǎn)分成傳感器節(jié)點(diǎn)、簇頭節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)3種類型。當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、光度和濕度等)，然后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，交由處理器處理，最后由通信模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點(diǎn)，同時(shí)該節(jié)點(diǎn)也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，即把相鄰節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)或離匯聚節(jié)點(diǎn)更近的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為簇頭節(jié)點(diǎn)時(shí)，主要是收集該簇內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)所采集到的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)往匯聚節(jié)點(diǎn)；當(dāng)節(jié)點(diǎn)作為匯聚節(jié)點(diǎn)時(shí)，其主要功能就足連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet)，將傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。

2 CC2420芯片的性能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

CC2420是Chipcon公司開發(fā)的首款符合Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻芯片，集成了所有Zigbee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可快速應(yīng)用到Zigbee產(chǎn)品中。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4定義的可靠的PHY(物理層)和MAC(媒體訪問(wèn)控制層)之上的標(biāo)準(zhǔn)，它定義了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層。Zigbee的協(xié)議架構(gòu)如圖2所示。

Zigbee技術(shù)的特點(diǎn)如下：

a) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有20～250 kbit／s，專注于低傳輸速率的應(yīng)用。

b) 時(shí)延短：休眠激活時(shí)延和活動(dòng)設(shè)備接入信道時(shí)延均為15 ms，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時(shí)問(wèn)，從而大大降低能量消耗。

c) 功耗低：由于Zigbee的傳輸速率低，且采用了休眠模式，因此大大降低了功耗。單靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池便可維持6到24個(gè)月，這是其他無(wú)線通信技術(shù)望塵莫及的。

d) 安全性高：Zigbee提供了基于CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn))的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES-128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

e) 免執(zhí)照頻段：采用直接序列擴(kuò)頻在ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))和868 MHz(歐洲)，均為免執(zhí)照頻段。

f) 網(wǎng)絡(luò)容量大：Zigbee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的64-bit編址和16 bit短編址。由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

g) 可靠性高：采用了CSMA-CA技術(shù)來(lái)避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

h) 低成本：由于Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，因此大大降低了成本。

CC2420芯片除了擁有以上Zigbee的所有優(yōu)點(diǎn)外，還具有與微控制器的接口配置容易(四線SPI串行口)、接收與發(fā)送采用不同存儲(chǔ)空間、所需外部元件較少以及采用QLP-48封裝，外形尺寸只有7 mm×7 mm等性能特征。

CC2420芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。天線接收的信號(hào)經(jīng)低噪聲放大器放大，并通過(guò)I／Q降頻轉(zhuǎn)換為2 MHz的中頻信號(hào)。該信號(hào)再經(jīng)濾波、放大、A／D轉(zhuǎn)換、自動(dòng)增益控制、終端信道過(guò)濾以及信號(hào)修正等，最終得到正確數(shù)據(jù)。當(dāng)要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入容量為128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。報(bào)頭和起始幀由硬件自動(dòng)生成。根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，將數(shù)據(jù)流的每4個(gè)比特?cái)U(kuò)展為32碼片，然后送到D／A轉(zhuǎn)換器。最后，經(jīng)過(guò)低通濾波和上變頻混頻，并在能量放大器中進(jìn)行放大后，交由天線發(fā)送。

3 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

由于在設(shè)計(jì)中用到的傳感器較少(主要是溫度傳感器和光傳感器)，因此將傳感器模塊集成到處理器模塊中。所以對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的描述將分為處理器模塊、通信模塊和供電模塊3部分。其中處理器模塊選用ATmega128L作為處理器芯片，通信模塊選用CC2420作為通信芯片，在電源方面，采用2節(jié)5號(hào)電池提供3V供電。

3.1 處理器模塊

處理器是整個(gè)節(jié)點(diǎn)的中心，其他模塊都要通過(guò)處理器來(lái)聯(lián)系，因此處理器性能的好壞決定了整個(gè)節(jié)點(diǎn)的性能。ATmega128L芯片是ATMEL公司開發(fā)的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。它有128 kB的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，4 kB EEPROM，以及4 kB的片內(nèi)SRAM，同時(shí)還可以擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器；采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，大部分指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；有64個(gè)10引腳，都與通用單片機(jī)兼容；片內(nèi)提供1個(gè)串行外圍接口SPI、1個(gè)兩線串行接口TWI和2個(gè)通用同異步串行接口，用于與外部元件的通信；并提供8通道10位采樣精度的A／D轉(zhuǎn)換器，該器件同時(shí)支持16路差分電壓輸入組合。

處理器與傳感器的連接如圖4所示。因?yàn)楣鈧鞲衅髋c溫度傳感器的工作原理相似，因此它們可采用同樣的電路圖。圖中的R1為光敏電阻或熱敏電阻，R2為10kΩ電阻，用于保護(hù)電路，加入電容C1是為使A／D轉(zhuǎn)換器采樣所得到的數(shù)據(jù)更精確。

電路的工作原理是：用ATmega128L的一個(gè)引腳給電路提供電源，從圖中的電源端輸入電路。R1的阻值根據(jù)光(R1為光敏電阻)或溫度(R1為熱敏電阻)的變化而發(fā)生變化，從而引起其壓降的變化。將R1的負(fù)端與處理器的一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器端口連接，處理器即可收到一個(gè)電信號(hào)，然后處理器啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換功能，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字存入寄存器，當(dāng)MCU需要處理或發(fā)送該數(shù)據(jù)時(shí)便可來(lái)取。利用下式可計(jì)算出十位二進(jìn)制A／D轉(zhuǎn)換器讀數(shù)DADC。

式中：Vin為A／D轉(zhuǎn)換器引腳的輸入電壓；Vref為參考電壓。