基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計

無線傳感器網(wǎng)絡是當今國內外通信領域的一大研究熱點，它在軍事、民用及工商業(yè)領域都具有廣闊的應用前景。在軍事領域，通過無線傳感器網(wǎng)絡，隱蔽地分布在戰(zhàn)場上的傳感器可將獲取的信息回給指揮部；在民用領域，無線傳感器網(wǎng)絡可在家居智能化、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、災害預測等方面得到廣泛應用；在工商業(yè)領域，無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)自動化、空間探索和其他商業(yè)用途卜得到廣泛應用。

考慮到無線傳感器網(wǎng)絡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設計節(jié)點。

1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的特征

無線傳感器網(wǎng)絡由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點組成。因此，傳感器節(jié)點是尤線傳感器網(wǎng)絡的基本單元，節(jié)點設計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡的質量。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要負責對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)點或將相鄰節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉發(fā)給基站或更靠近基站的節(jié)點。它一般由傳感器模塊(傳感器、A／D轉換器)、處理器模塊(微處理器、存儲器)、無線通信模塊(無線收發(fā)器)和能量供應模塊(電池)組成，如圖1所示。

所有無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點都具有相同的功能，但在某一時刻，各個節(jié)點可能正在執(zhí)行不同的功能。根據(jù)功能，可以把節(jié)點分成傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點3種類型。當節(jié)點作為傳感器節(jié)點時，主要是采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、光度和濕度等)，然后進行A／D轉換，交由處理器處理，最后由通信模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點，同時該節(jié)點也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能，即把相鄰節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點或離匯聚節(jié)點更近的節(jié)點；當節(jié)點作為簇頭節(jié)點時，主要是收集該簇內所有節(jié)點所采集到的信息，經(jīng)數(shù)據(jù)融合后，發(fā)往匯聚節(jié)點；當節(jié)點作為匯聚節(jié)點時，其主要功能就足連接傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡(如Internet)，將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。

2 CC2420芯片的性能和結構特點

CC2420是Chipcon公司開發(fā)的首款符合Zigbee標準的2.4 GHz射頻芯片，集成了所有Zigbee技術的優(yōu)點，可快速應用到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(媒體訪問控制層)之上的標準，它定義了網(wǎng)絡層、安全層和應用層。Zigbee的協(xié)議架構如圖2所示。

Zigbee技術的特點如下：

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用。

b) 時延短：休眠激活時延和活動設備接入信道時延均為15 ms，典型的搜索設備時延為30 ms，這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時問，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。單靠兩節(jié)5號電池便可維持6到24個月，這是其他無線通信技術望塵莫及的。

d) 安全性高：Zigbee提供了基于CRC(循環(huán)冗余校驗)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

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

f) 網(wǎng)絡容量大：Zigbee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，并采用IEEE標準的64-bit編址和16 bit短編址。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時，主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理，最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。

g) 可靠性高：采用了CSMA-CA技術來避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

h) 低成本：由于Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，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芯片的內部結構如圖3所示。天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大器放大，并通過I／Q降頻轉換為2 MHz的中頻信號。該信號再經(jīng)濾波、放大、A／D轉換、自動增益控制、終端信道過濾以及信號修正等，最終得到正確數(shù)據(jù)。當要發(fā)送數(shù)據(jù)時，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)。報頭和起始幀由硬件自動生成。根據(jù)IEEE 802.15.4標準，將數(shù)據(jù)流的每4個比特擴展為32碼片，然后送到D／A轉換器。最后，經(jīng)過低通濾波和上變頻混頻，并在能量放大器中進行放大后，交由天線發(fā)送。

3 節(jié)點設計

由于在設計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。所以對節(jié)點設計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號電池提供3V供電。

3.1 處理器模塊

處理器是整個節(jié)點的中心，其他模塊都要通過處理器來聯(lián)系，因此處理器性能的好壞決定了整個節(jié)點的性能。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存儲器，4 kB EEPROM，以及4 kB的片內SRAM，同時還可以擴展外部存儲器；采用先進的RISC結構，大部分指令在一個時鐘周期內完成；有64個10引腳，都與通用單片機兼容；片內提供1個串行外圍接口SPI、1個兩線串行接口TWI和2個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轉換器，該器件同時支持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。因為光傳感器與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，用于保護電路，加入電容C1是為使A／D轉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的負端與處理器的一個A／D轉換器端口連接，處理器即可收到一個電信號，然后處理器啟動A／D轉換功能，將電信號轉換為數(shù)字存入寄存器，當MCU需要處理或發(fā)送該數(shù)據(jù)時便可來取。利用下式可計算出十位二進制A／D轉換器讀數(shù)DADC。

式中：Vin為A／D轉換器引腳的輸入電壓；Vref為參考電壓。