韓進(jìn)，齊乃寶

（山東科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，青島266590）

引 言

隨著集成電路、無線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，無線通信網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)運(yùn)而生，無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)的無線射頻通信模塊體積大，需要控制芯片來控制射頻模塊，這就增加了設(shè)計(jì)的成本，而且可移動性不好。

半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步使處理器芯片可以被集成為體積很小的一塊，而價格變得更便宜，專用的無線網(wǎng)絡(luò)芯片和技術(shù)也得到發(fā)展。文中采用了TI公司的CC430F5137設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)模塊。CC430F5137是一款內(nèi)部集成了射頻核的芯片，它內(nèi)置了CC1101射頻核，使用單顆芯片就可以完成數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送與接收，使電路板的體積可以變得更小、更便宜。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)，本文采用了射頻模塊的無線喚醒（WOR）功能。同時，利用射頻核的空閑信道評估（CCA）功能改進(jìn)了射頻發(fā)送的算法，提高了多節(jié)點(diǎn)向中繼器模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時的準(zhǔn)確性。

1 總體設(shè)計(jì)方案

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。它是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能［1]。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般受到工作環(huán)境的影響，功耗問題是要首先考慮的?？紤]到低功耗要求的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的主控MCU選擇CC430F5137，利用它內(nèi)置的射頻通信模塊進(jìn)行射頻通信。由于其低功耗的特點(diǎn)可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無線喚醒功能，能更好地降低系統(tǒng)功耗。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以掛接多個節(jié)點(diǎn)設(shè)備，而每個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址必須唯一。本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用撥碼開關(guān)來設(shè)置每個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址，確保每個節(jié)點(diǎn)都有一個唯一的地址。通過SPI接口或I2C總線接入傳感器器件，可以靈活地接入不同型號的傳感器器件，以達(dá)到測試不同物理量的要求。節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)電路總體設(shè)計(jì)

CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6V，選程度用兩節(jié)7號電池來提供3V的直流電壓。配合軟件的設(shè)置可以最大程度地降低功耗。系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是射頻發(fā)送利用一個射頻的天線模塊，可以保證射頻通信的穩(wěn)定性，此無線模塊由芯片的RF＿N和RF＿P兩個引腳接入。另外根據(jù)射頻發(fā)送的需要，接入一個26MHz晶振。

CC430F5137的P1.5、P1.6、P1.7引腳可以用于串口通信和SPI通信，使用這三個引腳作為串口調(diào)試，另外P1.1、P1.2、P1.3引腳可以用于SPI和I2C總線通信，這三個接口用來預(yù)留連接傳感器的芯片。系統(tǒng)的主電路圖如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主電路圖

2.2 地址設(shè)定電路

為了使每個節(jié)點(diǎn)的地址唯一，采用8位的撥碼開關(guān)SW進(jìn)行地址設(shè)定。如圖3所示，可以由撥碼開關(guān)來設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)的地址，可以設(shè)定255個不同的地址，每一個終端節(jié)點(diǎn)作為從設(shè)備向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到用于網(wǎng)絡(luò)管理的主控MCU，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳送。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序主流程

圖3 地址設(shè)定電路

在節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程中，對幾個重要寄存器進(jìn)行配置，主要進(jìn)行配置的寄存器有載波頻率寄存器、數(shù)據(jù)速率寄存器、載波監(jiān)聽設(shè)置絕對閾值寄存器、射頻發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包長度寄存器和地址檢測開啟寄存器。其他的寄存器配置可以參照TI公司提供的SmartRF Studio軟件，它是專門用于配置射頻通信相關(guān)的寄存器，本設(shè)計(jì)中采用SmartRF Studio 7對CC430F5137的寄存器進(jìn)行配置。配置射頻發(fā)送的載波頻率為433MHz，通信的數(shù)據(jù)速率為2.4kbps.并且使能地址檢測功能，每一個節(jié)點(diǎn)都有唯一的地址。當(dāng)節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)包中沒有和自身地址相匹配的內(nèi)容，則節(jié)點(diǎn)設(shè)備就不會接收該數(shù)據(jù)包，不對其作處理。只有發(fā)送來的數(shù)據(jù)包與節(jié)點(diǎn)地址相對應(yīng)時，節(jié)點(diǎn)才能接收并處理數(shù)據(jù)，這就有效地防止了中繼器節(jié)點(diǎn)向不同的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時會被多個節(jié)點(diǎn)收，可以有效地傳送數(shù)據(jù)。圖4為整個程序的主流程圖。

當(dāng)系統(tǒng)一上電，則會做相應(yīng)的初始化操作，比如串口、I2C總線，并對射頻模塊的各個寄存器進(jìn)行配置，初始化功率放大表等。

系統(tǒng)初始化完畢后，系統(tǒng)會向中繼器節(jié)點(diǎn)主動發(fā)起連接請求，把自己的節(jié)點(diǎn)地址告訴中繼器節(jié)點(diǎn)，為以后的中繼器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳送做準(zhǔn)備。發(fā)送完請求連接后，節(jié)點(diǎn)會等待中繼器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答，如果沒有應(yīng)答，節(jié)點(diǎn)會繼續(xù)請求連接，直到收到應(yīng)答后再進(jìn)行下一步的處理。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)主程序流程圖

3.2 無線喚醒功能

為了更好地降低系統(tǒng)能量消耗，采用CC1101的無線模塊喚醒功能（WOR），當(dāng)系統(tǒng)請求連接成功后，就會進(jìn)入無線喚醒模式，此時系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)。在此模式下功耗極低，可達(dá)到2.0μA［3]。射頻內(nèi)核可以通過軟件編程設(shè)置每隔一段時間喚醒，醒來后系統(tǒng)處于射頻接收狀態(tài)，如果這時檢測到有數(shù)據(jù)包發(fā)送過來，那么系統(tǒng)就會退出無線喚醒狀態(tài)，轉(zhuǎn)入正常的狀態(tài)去處理接收到的數(shù)據(jù)包。如果沒有檢測到數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)則會繼續(xù)睡眠然后再重復(fù)地醒來檢測，這樣就保證了在不需要數(shù)據(jù)傳送的情況下，最大限度地節(jié)約能量消耗。圖5為系統(tǒng)處于無線喚醒狀態(tài)的程序流程圖。

圖5 無線喚醒模式下的程序流程圖

3.3 射頻發(fā)送函數(shù)的改進(jìn)

CC430F5137內(nèi)嵌的射頻模塊具有空閑信道評估（CCA）功能，當(dāng)開啟空閑信道評估功能時，只有在信道空閑的時候才能進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，如果檢測到信道忙，則會一直保持在接收狀態(tài)。

為了確保本節(jié)點(diǎn)向中繼器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及提高多個中斷節(jié)點(diǎn)同時向中繼器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時的抗干擾性，采用射頻模塊的載波監(jiān)聽功能，并結(jié)合使用空閑信道評估功能改進(jìn)了射頻發(fā)送函數(shù)。改進(jìn)后的發(fā)送函數(shù)如下：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路圖，制成電路板后，燒入編寫好的測試程序。為了方便驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時采用直流電源供電，為電路板提供3.0V電壓，然后把萬用表串聯(lián)接入，分別測量休眠、接收和發(fā)送三種狀態(tài)下的電流消耗。表1是測試結(jié)果。

表1

由表1可以看出，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下的電流消耗僅為2.3μA，由于發(fā)送數(shù)據(jù)量的不同，發(fā)送狀態(tài)下的電流消耗會因?yàn)閿?shù)據(jù)包的長度而不同，發(fā)送數(shù)據(jù)包越大，電流消耗越大。CC430F5137在最大輸出功率時，433MHz下最大的電流消耗是30mA［2]。系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)時的電流消耗為15mA，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用無線模塊喚醒功能可以有效地降低系統(tǒng)功耗。

結(jié) 語

本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術(shù)設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)可以大大地減小系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)可以采集各種各樣的信號，能將采集到的數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定地傳送到中間數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。設(shè)計(jì)中載波監(jiān)聽功能和信道空閑評估功能改進(jìn)的射頻發(fā)送函數(shù)，可以有效地提高多個節(jié)點(diǎn)同時發(fā)送數(shù)據(jù)時的抗干擾性。

［1] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M] .北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2] Texas Instruments.CC430Family user’s guide.2013.

［3] Texas Instruments.CC430F5137，2010.

［4] 張彪，胡慧.基于MSP430F2274的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J] .傳感器世界，2009（1）.

［5] 童亞欽，紀(jì)春國.基于CC1101的分布式節(jié)能測控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)［J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（12）.

［6] 李建業(yè).基于CC430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)研究與設(shè)計(jì)［D] .秦皇島：燕山大學(xué)，2012.

［7] 解子亮.分布式無線數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)［D] .合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

［8] 黃向驥.基于CC2430的無線智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［D] .武漢：武漢理工大學(xué)，2010.