基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
出處：tyw 發(fā)布于：2008-09-03 10:53:56
摘 要： 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，以ＣＣ２４３０芯片為設(shè)計了一種微型傳感器節(jié)點。詳細闡述了傳感器節(jié)點的溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、電池能量檢測模塊以及節(jié)點之間“點對點”無線通信的軟件流程。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點組成的，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在美國商業(yè)周刊和ＭＩＴ技術(shù)評論的預(yù)測未來技術(shù)發(fā)展中，分別被列為２１世紀有影響的２１項技術(shù)和改變世界的１０大技術(shù)之一。
傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成單位。它由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個部分組成。由于傳感器節(jié)點通常是一個微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較弱，并通過攜帶能量有限的電池供電。本文依據(jù)傳感器節(jié)點的這些特點，設(shè)計了一種用于環(huán)境中溫濕度監(jiān)測的以芯片ＣＣ２４３０為的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
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?。茫茫玻矗常靶酒牵茫瑁椋穑悖铮罟咎峁┑氖卓钪С郑冢椋纾拢澹鍏f(xié)議的ＳｏＣ解決方案。它延用了ＣＣ２４２０芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ＺｉｇＢｅｅ 射頻（ＲＦ）前端、內(nèi)存和微控制器。ＣＣ２４３０擁有１個８位８０５１ＭＣＵ，８ＫＢ的ＲＡＭ，３２ＫＢ、６４ＫＢ或１２８ＫＢ的Ｆｌａｓｈ，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、幾個定時器、ＡＥＳ１２８協(xié)處理器、看門狗定時器、３２ｋＨｚ晶振的休眠模式定時器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路，以及２１個可編程Ｉ／Ｏ引腳。
?。茫茫玻矗常靶酒捎茫埃保甫蹋怼。茫停希庸に嚿a(chǎn)，工作時的電流損耗為２７ｍＡ；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于２７ｍＡ或２５ｍＡ。ＣＣ２４３０的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。
ＣＣ２４３０芯片的主要特點有：３２ＭＨｚ單指令周期低功耗的８０５１微控制器核；集成兼容ＩＥＥＥ８０２．１５．４標準２．４ＧＨｚ頻段的ＲＦ無線電收發(fā)機；８ＫＢ的ＳＲＡＭ，其中４ＫＢ可在所有功耗模式下保持數(shù)據(jù)；兼容ＲｏＨＳ的７×７ｍｍＱＬＰ封裝；４種可編程功耗模式；可編程的看門狗定時器；上電復(fù)位功能；支持硬件調(diào)試功能；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅０．９μＡ的流耗，外部中斷或ＲＴＣ能喚醒系統(tǒng)；在待機模式時少于０．６μＡ的流耗，外部中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持ＣＳＭＡ／ＣＡ功能；較寬的電壓范圍（２．０～３．６Ｖ）；數(shù)字化的ＲＳＳＩ／ＬＱＩ支持和強大的ＤＭＡ功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了１４位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ＡＤＣ；集成ＡＥＳ安全協(xié)處理器；帶有２個強大的、支持幾組協(xié)議的ＵＳＡＲＴ，以及１個符合ＩＥＥＥ?。福埃玻保担匆?guī)范的ＭＡＣ計時器，１個常規(guī)的１６位計時器和２個８位計時器。
?。病」?jié)點的硬件設(shè)計
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。處理器模塊和無線通信模塊采用ＣＣ２４３０芯片，大大簡化了射頻電路的設(shè)計。傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器ＳＨＴ１０。電源模塊采用３Ｖ紐扣電池。節(jié)點的硬件原理框圖如圖１。
?。樱龋裕保坝糜诓杉車h(huán)境中的溫度和濕度，其工作電壓為２．４～５．５Ｖ，測濕為±４．５％ＲＨ，２５℃時測溫為±０．５℃。采用ＳＭＤ貼片封裝，與處理器的通信電路如圖２所示。ＳＨＴ１０采用兩條串行線與處理器進行數(shù)據(jù)通信。ＳＣＫ數(shù)據(jù)線負責(zé)處理器和ＳＨＴ１０的通訊同步；ＤＡＴＡ三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。ＤＡＴＡ在ＳＣＫ時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在ＳＣＫ時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在ＳＣＫ時鐘高電平時，ＤＡＴＡ必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動ＤＡＴＡ在低電平。需要一個１０ｋΩ的外部上拉電阻將信號提拉至高電平。本設(shè)計中ＣＣ２４３０的引腳Ｐ１．０用于ＳＣＫ，Ｐ１．１用于ＤＡＴＡ。
?。场」?jié)點的軟件設(shè)計
節(jié)點的軟件分為數(shù)據(jù)采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設(shè)計的模塊。以下給出了各個模塊的流程圖和詳細說明。
?。常薄貪穸葦?shù)據(jù)采集模塊
溫濕度傳感器ＳＨＴ１０采用類似但不兼容Ｉ２Ｃ總線的方式和處理器通信。數(shù)據(jù)通過ＤＡＴＡ線直接讀取，控制流程如圖３所示。首先用一組啟動傳輸時序進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測量命令（‘０００００１０１’表示相對濕度，‘００００００１１’表示攝氏溫度），釋放ＤＡＴＡ線，等ＳＨＴ１０下拉ＤＡＴＡ至低電平，表示測量結(jié)束，同時接收數(shù)據(jù)。
其中產(chǎn)生啟動傳輸時序的程序片段如下：
……
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ｗａｉｔ（１）；
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……
測量溫度后，通過Ｔ＝ｄ１＋ｄ２×ＳＯＴ計算出溫度。
測量濕度后，再根據(jù)當(dāng)前的溫度，通過ＲＨ＝（Ｔ℃－２５）×（ｔ１＋ｔ２×ＳＯＲＨ）＋ｃ１＋ｃ２×ＳＯＲＨ＋ｃ３×ＳＯＲＨ２，計算出相對濕度。其中常量ｄ１、ｄ２、ｔ１、ｔ２、ｃ１、ｃ２和ｃ３由ＳＨＴ１ｘ數(shù)據(jù)手冊提供。
?。常病‰娫茨芰繖z測模塊
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常采用電池供電，電池的能量檢測是重要環(huán)節(jié)。ＣＣ２４３０的ＡＤＣ模塊不僅可以采樣Ｐ０端口引腳上的輸入電壓，還可以采樣ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ引腳上的１／３電壓。這個功能通常用于實現(xiàn)電池的能量檢測，即檢測當(dāng)前的電源電壓是否在ＣＣ２４３０所能工作電壓范圍２．０￣３．６Ｖ內(nèi)。完成ＡＤ轉(zhuǎn)換的控制流程是：首先設(shè)置ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ引腳上電壓的１／３為采樣輸入，然后啟動ＡＤ轉(zhuǎn)換，等待ＡＤ轉(zhuǎn)換結(jié)束，寄存器ＡＤＣＨ：ＡＤＣＬ中的數(shù)據(jù)即為參考電壓的相對數(shù)值。
由于是對電池能量的檢測，可以采用ＣＣ２４３０內(nèi)部提供的１．２５Ｖ電壓作為參考電壓。用這個參考電壓采樣ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ引腳上的１／３電壓，從而得出當(dāng)前的電源電壓值。選用８位的采樣，則寄存器ＡＤＣＣＯＮ３應(yīng)配置為０ｘ０Ｆ。設(shè)置完寄存器后，ＡＤＣ立即啟動ＡＤ轉(zhuǎn)化，寄存器ＡＤＣＣＯＮ１的ＥＯＣ位用于指示當(dāng)前的轉(zhuǎn)化是否結(jié)束。當(dāng)ＥＯＣ位變?yōu)椋睍r，證明當(dāng)前的轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換后的數(shù)值被存放在寄存器ＡＤＣＨ中。ＡＤＣＨ中的數(shù)值被讀取后，ＥＯＣ位自動恢復(fù)為０。根據(jù)取出的數(shù)值計算得到當(dāng)前ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ上引腳的電壓。通過連續(xù)采樣１０次進行均值濾波，用這個平均值與用戶設(shè)定的有效工作電壓２．４Ｖ相比，可判斷出當(dāng)前電壓是否正常。該模塊的程序流程圖如圖４。
其中由ＤＡＴＡ［０．．．９］的均值Ａｖｅｒａｇｅ計算實際電壓的代碼如下：
……
Ｖｏｌｔａｇｅ＝（?。ǎ粒觯澹颍幔纾澹保担荆荆梗?；／／Ｖｏｌｔａｇｅ為實際電壓的１０倍
……
?。常场o線通信模塊
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)是節(jié)點之間的點對點通信。本小節(jié)以兩個節(jié)點之間的通信為例，介紹了點對點通信的過程和實現(xiàn)方法。首先，定義一種比ＩＥＥＥ８０２．１５．４規(guī)范所定義的ＭＡＣ協(xié)議層數(shù)據(jù)幀簡單的ＭＡＣ層數(shù)據(jù)幀的格式：
其中目標地址和源地址分別用１個字節(jié)表示。本例中只有兩個節(jié)點互相通信，分別將兩個節(jié)點的地址設(shè)為０和１。標志位Ｆｌａｇｓ占１個字節(jié)，用于表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型。當(dāng)數(shù)據(jù)幀中Ｆｌａｇｓ字節(jié)的位為１時，表示該幀是數(shù)據(jù)序列中的一幀；第３位為１時，表示該幀是超時重傳的數(shù)據(jù)幀；第２位為１時表示該幀是接收到數(shù)據(jù)幀后的答復(fù)幀；第１位為１時，表示目標節(jié)點在收到該數(shù)據(jù)幀后要答復(fù)。幀校驗ＦＣＳ由２個字節(jié)表示，是ＭＡＣ層協(xié)議數(shù)據(jù)單元ＭＰＤＵ的校驗。如果ＣＣ２４３０的ＲＦ寄存器ＭＤＭＣＴＲＬ０Ｌ．ＡＵＴＯＣＲＣ控制位設(shè)為１，ＦＣＳ將由硬件自動實現(xiàn)，負責(zé)必須由軟件用多項式ｘ１６＋ｘ１２＋ｘ５＋１進行ＣＲＣ的生成和校驗。
由于ＩＥＥＥ８０２．１５．４規(guī)范中定義了物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元（ＰＳＤＵ）的長度為１２７字節(jié)，而其中的５字節(jié)已經(jīng)被使用，因此有效負載ｐａｙｌｏａｄ的字節(jié)長度在１～１２２之間。如果需要傳送的數(shù)據(jù)長度超過１２２字節(jié)，則發(fā)送時這個數(shù)據(jù)應(yīng)該被拆分成若干數(shù)據(jù)幀，以滿足長度的限制。目標節(jié)點則必須能夠?qū)⒔邮盏降臄?shù)據(jù)幀整合成完整的數(shù)據(jù)。
?。桑牛牛牛福埃玻保担匆?guī)定了ＲＦ物理層的工作頻段為２．４ＧＨｚ，共有１６個頻道。每個頻道的實際工作頻率和頻道序號的關(guān)系式為：Ｆｃ＝２４０５＋５×（ｋ－１１）ＭＨｚ，ｋ＝１１，１２，…２６。兩個節(jié)點的ＲＦ必須工作在相同的頻道上，才能夠互相收發(fā)數(shù)據(jù)。完成數(shù)據(jù)發(fā)送的程序流程圖如圖５。
系統(tǒng)初始化主要是將系統(tǒng)的工作頻率設(shè)為３２ＭＨｚ的晶振頻率，這樣ＲＦ才能正常工作。ＲＦ初始化時，先設(shè)置通信頻率，再通過設(shè)置ＲＦＰＷＲ．ＲＲＥＧ＿ＲＡＤＩＯ＿ＰＤ位為１給ＲＦ供電。ＲＦ初始化的過程還包括執(zhí)行下面的代碼來開啟Ｒｘ，清空Ｒｘ、Ｔｘ的ＦｉＦｏ緩沖區(qū)以及校準Ｒａｄｉｏ。
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ＤＭＡ的初始化階段要為Ｔｘ分配１個空閑的ＤＭＡ通道。首先要為通道０和通道１￣４分別設(shè)置好通道描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存放地址，并將首地址分別寫入ＤＭＡ０ＣＦＧＨ：ＤＭＡ０ＣＦＧＬ和ＤＭＡ１ＣＦＧＨ：ＤＭＡ１ＣＦＧＬ。再為這個分配好的ＤＭＡ通道設(shè)置其描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
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當(dāng)設(shè)置為Ｔｘ準備的ＤＭＡ通道時，需將數(shù)據(jù)的源地址ＳＲＣＡＤＤＲＨ：?。樱遥茫粒模模遥淘O(shè)為所要發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址，目標地址ＤＥＳＴＡＤＤＲＨ：?。模牛樱裕粒模模遥淘O(shè)為寄存器ＲＦＤ的地址０ｘＤＦＤ９。然后，在ＬＥＮＨ：ＬＥＮＬ中設(shè)置所要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，并將ＶＬＥＮ設(shè)為０。將ＷＯＲＤＳＩＺＥ位設(shè)為０，表示ＤＭＡ數(shù)據(jù)按字節(jié)進行傳輸（設(shè)為１表示按字傳輸）。ＤＭＡ的數(shù)據(jù)傳送模式按照觸發(fā)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可分成四種，由ＴＭＯＤＥ設(shè)置選擇。本例中采用Ｂｌｏｃｋ模式，即ＤＭＡ觸發(fā)可進行一個完整數(shù)據(jù)塊的傳輸。ＣＣ２４３０定義的ＤＭＡ觸發(fā)信號有３１種之多，由ＴＲＩＧ位設(shè)置。將ＴＲＩＧ設(shè)置為０，表示采用無觸發(fā)模式，這樣ＤＭＡ在每次接收到ＤＭＡＲＥＱ信號后才啟動數(shù)據(jù)傳輸。ＳＲＣＩＮＣ和ＤＥＳＴＩＮＣ分別用于設(shè)置數(shù)據(jù)源地址和目標地址的變化方式，可設(shè)為不變、增１、增２或減１。由于采用按字節(jié)的Ｂｌｏｃｋ模式向Ｒａｄｉｏ發(fā)送數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)源地址選擇增１變化，而數(shù)據(jù)目標地址則一直為寄存器ＲＦＤ的地址０ｘＤＦＤ９，故設(shè)為不變。ＩＲＱＭＡＳＫ位用于設(shè)置是否在ＤＭＡ數(shù)據(jù)傳輸完后發(fā)中斷信號。本例中設(shè)為０，即禁止ＤＭＡ中斷。Ｍ８是按字節(jié)傳輸時的數(shù)據(jù)寬度，設(shè)為０表示８位傳輸，為１時表示只傳輸字節(jié)的低７位。本例中設(shè)為０。ＰＲＩＯＲＩＴＹ用于優(yōu)先級設(shè)置，本例中設(shè)為２，即中等優(yōu)先級。
?。模停撩枋鲈O(shè)置好后，通過設(shè)置寄存器ＤＭＡＡＲＭ和ＲＭＲＥＱ的位來準備相應(yīng)的ＤＭＡ通道以及啟動這個通道上數(shù)據(jù)塊的傳輸。在啟動ＤＭＡ數(shù)據(jù)傳輸之前，將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的長度、目標節(jié)點地址、源節(jié)點地址、標志字節(jié)通過直接寫寄存器ＲＦＤ的方式寫入ＴＸＦＩＦＯ。這樣在啟動ＤＭＡ傳輸后，完整的數(shù)據(jù)幀將被傳輸至ＴＸＦＩＦＯ。通過給ＣＳＰ發(fā)送指令ＩＳＴＸＯＮＣＣＡ啟動ＴＸ傳輸。這就完成了一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。
數(shù)據(jù)接收的過程同樣需要設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為３２ＭＨｚ，且應(yīng)確保Ｒｘ工作在Ｔｘ相同的頻道上，并設(shè)置ＤＭＡ通道。其中ＤＭＡ的數(shù)據(jù)源為寄存器ＲＦＤ，并將ＤＭＡ觸發(fā)信號設(shè)為ＲＡＤＩＯ，即Ｒａｄｉｏ接收到數(shù)據(jù)時觸發(fā)ＤＭＡ。數(shù)據(jù)接收的程序流程如圖６所示。
本文在總結(jié)歸納對芯片ＣＣ２４３０已有研究成果的基礎(chǔ)上，闡述了基于ＣＣ２４３０的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)，并詳細介紹了兩個節(jié)點之間點對點通信的實現(xiàn)。在實驗中，節(jié)點能夠采集環(huán)境的溫、濕度和節(jié)點的電池電壓，并將采集的數(shù)據(jù)在節(jié)點中傳播。本文的研究為進一步的上層通信協(xié)議設(shè)計提供了基礎(chǔ)，具有一定的研究意義。
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