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

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當今國內(nèi)外通信領(lǐng)域的一大研究熱點，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，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，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(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在家居智能化、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、災(zāi)害預(yù)測等方面得到廣泛應(yīng)用；在工商業(yè)領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。

考慮到無線傳感器網(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設(shè)計節(jié)點。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的特征

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(luò)的基本單元，節(jié)點設(shè)計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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?qū)⑾噜徆?jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)模塊(電池)組成，如圖1所示。

所有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(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，同時該節(jié)點也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(nèi)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(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)(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(jié)構(gòu)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(shù)的優(yōu)點，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(媒體訪問控制層)之上的標準，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) 時延短：休眠激活時延和活動設(shè)備接入信道時延均為15 ms，典型的搜索設(shè)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(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)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)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(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(luò)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(shù)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(nèi)部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為2 MHz的中頻信號。該信號再經(jīng)濾波、放大、A／D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計

由于在設(shè)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(shè)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(nèi)SRAM，同時還可以擴展外部存儲器；采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，大部分指令在一個時鐘周期內(nèi)完成；有64個10引腳，都與通用單片機兼容；片內(nèi)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(zhuǎn)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換功能，將電信號轉(zhuǎn)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(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。

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)是實現(xiàn)節(jié)點間的通信。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)點的能量主要是耗費在通信上。所以，選擇一塊低能耗的通信芯片將為節(jié)點節(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。由于其喚醒時延短，使得它能有更多的時間處于睡眠狀態(tài)，從而大大降低了節(jié)點的能耗，延長節(jié)點的壽命。CC2420與ATmega128L的連接如圖5所示。

CC2420有4個SPI通信接口：CSn、SI、SO、SCLK，剛好對應(yīng)ATmega128L的4個SPI通信接口：SS、MO-SI、MISO、SCLK。通過這4條線，處理器可以對CC2420進行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。由于CC2420只有從機模式，因此處理器只能采用主機模式。如圖5所示，由處理器的SCLK引腳提供時鐘頻率；SS引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，在接收和發(fā)送時，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，若地址識別功能使能且識別成功或地址識別功能不使能，則SFD引腳直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成才降為低電平。若地址識別功能使能但識別失敗，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。FIFO和FIFOP是與CC2420的RXFIFO(接收數(shù)據(jù)存儲區(qū))相關(guān)的兩個信號。當RXFIFO中有數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO就變?yōu)楦唠娖?，直到RXFIFO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RXFIFO中未被讀取的數(shù)據(jù)超過某個門限值(可編程沒定)或整個數(shù)據(jù)包接收完成后還未被讀取時，F(xiàn)IFOP引腳就變成高電平。但是，當CC2420的地址識別功能使能時，只有到地址識別成功后FIFOP引腳才會發(fā)揮作用，這是為了防止處理器在CC2420的地址識別完成前讀取那些可能無效的數(shù)據(jù)。當RXFIFO發(fā)生溢出時，F(xiàn)IFO將變?yōu)榈碗娖?，同時，F(xiàn)IFOP變?yōu)楦唠娖?。所以與FIFO引腳和FIFOP引腳的連接可以讓處理器知道何時該讀取數(shù)據(jù)。將FIFOP引腳與處理器的一個外部中斷引腳連接，是為了讓處理器能及時讀取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，采用休眠模式，且從休眠模式被激活的時延短，因此有更多的時間處于休眠狀態(tài)，而處于休眠狀態(tài)時芯片的能耗極低，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，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入睡眠模式，節(jié)省能耗。同時，各種睡眠模式都有各自的喚醒源，當有數(shù)據(jù)需要處理器處理時，便可由喚醒源將其喚醒，進入工作狀態(tài)，一旦處理完成，再次進入睡眠狀態(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)計要點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性要求其節(jié)點體積越小越好，因此在元器件的選擇上當然是選擇同類型中體積最小的。但是節(jié)點體積越小，在設(shè)計電路板布線時可能會因為線路間距離太小而產(chǎn)生十擾，因此抗干擾設(shè)計是節(jié)點設(shè)計時的重點問題?？梢园央娐钒逶O(shè)計成4層板。頂層布信號線，主要是傳輸通過天線接收和發(fā)送的信號。該層空白區(qū)域用金屬層覆蓋，并通過幾個孔接地；第2層可以布數(shù)據(jù)線，將用于節(jié)點內(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，并通過單獨過孔接地。同時，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電阻或磁珠來進行隔離。

4 節(jié)點的優(yōu)勢

選擇CC2420作為無線收發(fā)芯片的一個顯然的優(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)點的特點。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，芯片還采用了CSMA-CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突，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。CC2420是Chipcon公司開發(fā)的全球首塊符合Zigbee標準的無線收發(fā)芯片?；?strong>CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有成本低、能耗小等特點，而這些特點正是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最為重視的熱點，因此，該設(shè)計方案有廣闊的應(yīng)用前景。