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

3.2 通信模塊

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的通信。隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量主要是耗費(fèi)在通信上。所以，選擇一塊低能耗的通信芯片將為節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量，延長壽命。

CC2420是Chipeon公司開發(fā)的一款低功耗通信芯片。由于其喚醒時(shí)延短，使得它能有更多的時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，從而大大降低了節(jié)點(diǎn)的能耗，延長節(jié)點(diǎn)的壽命。CC2420與ATmega128L的連接如圖5所示。

CC2420有4個(gè)SPI通信接口：CSn、SI、SO、SCLK，剛好對應(yīng)ATmega128L的4個(gè)SPI通信接口：SS、MO-SI、MISO、SCLK。通過這4條線，處理器可以對CC2420進(jìn)行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。由于CC2420只有從機(jī)模式，因此處理器只能采用主機(jī)模式。如圖5所示，由處理器的SCLK引腳提供時(shí)鐘頻率；SS引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，在接收和發(fā)送時(shí)，都要保證CSn為低電平；MOSI與MISO分別是數(shù)據(jù)輸出和輸入的引腳。SFD引腳在發(fā)送或接收完開始幀后置為高電平，然后繼續(xù)發(fā)送和接收后面的數(shù)據(jù)。在接收模式下，若地址識(shí)別功能使能且識(shí)別成功或地址識(shí)別功能不使能，則SFD引腳直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成才降為低電平。若地址識(shí)別功能使能但識(shí)別失敗，SFD引腳將馬上降為低電平。處理器的ICP引腳可以通過與SFD引腳的連接獲取數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時(shí)間信息。與CCA引腳的連接可使處理器獲取清除通道評估信號(hào)。FIFO和FIFOP是與CC2420的RXFIFO(接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū))相關(guān)的兩個(gè)信號(hào)。當(dāng)RXFIFO中有數(shù)據(jù)時(shí)，F(xiàn)IFO就變?yōu)楦唠娖剑钡絉XFIFO為空為止。這樣，處理器便可通過讀取FIFO引腳的電平來判斷CC2420中是否有接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)RXFIFO中未被讀取的數(shù)據(jù)超過某個(gè)門限值(可編程沒定)或整個(gè)數(shù)據(jù)包接收完成后還未被讀取時(shí)，F(xiàn)IFOP引腳就變成高電平。但是，當(dāng)CC2420的地址識(shí)別功能使能時(shí)，只有到地址識(shí)別成功后FIFOP引腳才會(huì)發(fā)揮作用，這是為了防止處理器在CC2420的地址識(shí)別完成前讀取那些可能無效的數(shù)據(jù)。當(dāng)RXFIFO發(fā)生溢出時(shí)，F(xiàn)IFO將變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)，F(xiàn)IFOP變?yōu)楦唠娖健Ｋ耘cFIFO引腳和FIFOP引腳的連接可以讓處理器知道何時(shí)該讀取數(shù)據(jù)。將FIFOP引腳與處理器的一個(gè)外部中斷引腳連接，是為了讓處理器能及時(shí)讀取CC2420的RXFIFO中的數(shù)據(jù)，從而盡量避免RXFIFO的溢出。

3.3 供電模塊

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在人煙稀少或人類無法到達(dá)的地區(qū)，所以大多只能采用電池供電，且一般不可能更換電池。因此，如何降低節(jié)點(diǎn)能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最關(guān)心的問題之一。CC2420芯片采用低電壓供電(2.1 V～3.6 V)，同時(shí)，采用休眠模式，且從休眠模式被激活的時(shí)延短，因此有更多的時(shí)間處于休眠狀態(tài)，而處于休眠狀態(tài)時(shí)芯片的能耗極低，從而大大減少了能耗。CC2420各狀態(tài)下的電流消耗典型值如下：穩(wěn)壓器關(guān)閉為0.02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18.8 mA，發(fā)送模式(輸出功率P=0 dBm)為17.4 mA。

同時(shí)，ATmega128L也是一款采用低電壓供電的芯片(2.7 V～5.5 V)。而且ATmega128L有6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式?？筛鶕?jù)需要，通過軟件編程或硬件復(fù)位等方式來控制處理器進(jìn)入睡眠模式，節(jié)省能耗。同時(shí)，各種睡眠模式都有各自的喚醒源，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要處理器處理時(shí)，便可由喚醒源將其喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)，一旦處理完成，再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。采用這種工作方式，處理器能夠最大限度地節(jié)約能耗。

3.4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性要求其節(jié)點(diǎn)體積越小越好，因此在元器件的選擇上當(dāng)然是選擇同類型中體積最小的。但是節(jié)點(diǎn)體積越小，在設(shè)計(jì)電路板布線時(shí)可能會(huì)因?yàn)榫€路間距離太小而產(chǎn)生十?dāng)_，因此抗干擾設(shè)計(jì)是節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)的重點(diǎn)問題。可以把電路板設(shè)計(jì)成4層板。頂層布信號(hào)線，主要是傳輸通過天線接收和發(fā)送的信號(hào)。該層空白區(qū)域用金屬層覆蓋，并通過幾個(gè)孔接地；第2層可以布數(shù)據(jù)線，將用于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路都布置在這一層；第3層布供電線路；第4層作為接地層。各元件的接地引腳應(yīng)使用單獨(dú)過孔，盡量靠近封裝引腳接地，去耦電容也應(yīng)盡量靠近電源腳放置，并通過單獨(dú)過孔接地。同時(shí)，為了抗電磁干擾，最好把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開來，一般可采用0 Ω電阻或磁珠來進(jìn)行隔離。

4 節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢

選擇CC2420作為無線收發(fā)芯片的一個(gè)顯然的優(yōu)勢就是它工作于ISM免執(zhí)照頻段。此外，由于芯片采用了休眠模式，使其具有超低能耗和以年計(jì)算的壽命。由于芯片的成本低，因此也就更符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)。再者，芯片已經(jīng)集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能，這就相對減少了程序員編程的工作量，而且硬件處理速度一般都快于軟件處理速度，因此加快了通信的速度，減少了能量消耗。同時(shí)，芯片還采用了CSMA-CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的競爭和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。

5 結(jié)束語

近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們的重視，尤其隨著集成電路和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)越來越少，能耗越來越少，適用范圍越來越廣。Zigbee協(xié)議是由Zigbee聯(lián)盟開發(fā)的一種針對短距離、低速率、低功耗應(yīng)用的無線通信協(xié)議，于2004年12月正式獲得批準(zhǔn)。CC2420是Chipcon公司開發(fā)的全球首塊符合Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片?；贑C2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有成本低、能耗小等特點(diǎn)，而這些特點(diǎn)正是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最為重視的熱點(diǎn)，因此，該設(shè)計(jì)方案有廣闊的應(yīng)用前景。