傳感器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)低功耗、低成本、體積小等硬件限制，設(shè)計(jì)了一種基于射頻芯片CC2420和單片機(jī)MSP430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件節(jié)點(diǎn)。

硬件節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)無線傳感器節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要考慮以下特點(diǎn):小型化，傳感器節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用中的高集成度，保證目標(biāo)系統(tǒng)的特性不會(huì)受到影響，由于外部尺寸的限制，模塊必須能夠集成更多的元件；低功耗，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常部署在無人值守的地方，節(jié)點(diǎn)由電池供電，不能頻繁更換電池。因此，如何節(jié)約電能是應(yīng)用的首要問題；運(yùn)行速度，網(wǎng)絡(luò)對(duì)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性要求高，對(duì)處理器的實(shí)時(shí)處理能力要求強(qiáng)；接口，多功能傳感器產(chǎn)品是發(fā)展趨勢(shì)，但在早期設(shè)計(jì)中，不可能囊括所有功能，這就要求系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性；可靠性，傳感器網(wǎng)絡(luò)可以分布在很廣的區(qū)域，維護(hù)難度很大，傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟硬件必須具有很高的健壯性和容錯(cuò)性；盡可能低的成本。

基于以上考慮，本文設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)框圖如圖1所示。

該傳感器由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源模塊組成。該方案采用以MSP430為核心的控制模塊。MSP430具有出色的低功耗性能和在惡劣條件下穩(wěn)定的工作性能。MSP430采用CC2420作為無線收發(fā)模塊，通過SPI與CC2420通信，MSP430采用主機(jī)模式，CC2420采用從機(jī)模式。節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊與主板分離，模塊化設(shè)計(jì)提高了節(jié)點(diǎn)在不同應(yīng)用中的靈活性。因?yàn)檫@個(gè)節(jié)點(diǎn)是給電池供電的，所以要求傳感器體積小，功耗低，外圍電路簡單，所以最好使用數(shù)字傳感器，不需要復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理電路。

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)器芯片。該芯片體積小、功耗低，非常適合家庭和樓宇自動(dòng)化、工業(yè)監(jiān)控等應(yīng)用系統(tǒng)。

CC2420有一個(gè)完全集成的壓控振蕩器，只需要天線和16MHz晶振等少數(shù)外圍電路就可以工作在2.4GHz頻段。CC2420只提供一個(gè)SPI接口與微處理器連接，通過該接口可以完成設(shè)置和數(shù)據(jù)發(fā)送與接收。許多單片機(jī)都集成了SPI控制器，如MSP430，可以方便地與CC2420配合使用。簡單的外圍電路和處理器接口使CC2420適用于非常便宜的設(shè)備。

MSP430

CC2420和MSP430

硬件接口電路

CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、Fiop和CCA四個(gè)引腳來指示發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)和發(fā)送命令。

接收到物理幀的SFD字段后，CC2420將在SFD引腳輸出高電平，直到接收到該幀。如果啟動(dòng)地址識(shí)別，地址識(shí)別失敗后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFO引腳指示接收FIFO的緩沖狀態(tài)。如果接收FIFO緩沖器中有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩沖器為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平。當(dāng)接收FIFO緩沖器中Fiop引腳的數(shù)據(jù)超過某個(gè)臨界值時(shí)，或者CC2420接收到一個(gè)完整的幀后，輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設(shè)置。

當(dāng)通道中有信號(hào)時(shí)，CCA引腳輸出高電平，該信號(hào)僅在接收狀態(tài)下有效。在CC2420進(jìn)入接收狀態(tài)至少8個(gè)符號(hào)周期后，CCA引腳才會(huì)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的內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從器件，它接收來自處理器的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入/輸出操作。接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，SPI接口與時(shí)鐘的下降沿對(duì)齊。CC2420和MSP430通過SPI連接，其中MSP430處于主機(jī)模式，CC2420處于從機(jī)模式。MSP430還有4個(gè)I/o連接到CC2420，主要起到查詢CC2420狀態(tài)的作用。CC2420與MSP430之間的接口電路如圖2所示。

節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)

設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)時(shí)，重點(diǎn)是射頻部分。CC2420要求時(shí)鐘源的精度在40ppm以內(nèi)。本文采用高精度、性能穩(wěn)定的四引腳片式晶振來避免晶振的漂移。

在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)采取抗干擾措施:射頻電路不用于布線的區(qū)域應(yīng)填銅并接地，以提供射頻屏蔽，達(dá)到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部要接地；為了減少延遲、串?dāng)_，保證高頻信號(hào)的傳輸，CC 2420芯片底部與接地層之間要使用多個(gè)接地過孔連接。器件應(yīng)緊密分布在CC2420周圍，應(yīng)使用更小的封裝。

另一個(gè)考慮因素是天線。天線在無線通信中起著重要的作用，天線的選擇和設(shè)置將直接影響整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行質(zhì)量。這個(gè)節(jié)點(diǎn)射頻芯片CC2420可以使用兩種設(shè)計(jì)方案:金屬倒F PCB引線天線和單極天線。PCB引線天線是印制在電路板上的導(dǎo)線，通過它可以感應(yīng)空無線電波，接收信息。PCB天線的形狀和尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)基于IAR Workbench V2.10，用C語言編寫。軟件編程的基本思路是:首先初始化SPI和CC2420控制端口；啟用SPI和UART端口，啟用ADC，初始化CC2420芯片；打開接收器后，您可以運(yùn)行任務(wù)程序來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。

編輯:gt

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