基于CC2430的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯基于CC2430的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要：基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，以ＣＣ２４３０芯片為設(shè)計(jì)了一種微型傳感器節(jié)點(diǎn)。詳細(xì)闡述了傳感器節(jié)點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊、電池能量檢測(cè)模塊以及節(jié)點(diǎn)之間“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”無(wú)線通信的軟件流程。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的，通過無(wú)線通信方式形成一個(gè)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(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在美國(guó)商業(yè)周刊和ＭＩＴ技術(shù)評(píng)論的預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)發(fā)展中，分別被列為２１世紀(jì)有影響的２１項(xiàng)技術(shù)和改變世界的１０大技術(shù)之一。

傳感器節(jié)點(diǎn)是無(wú)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(wú)線通信模塊和能量供應(yīng)模塊四個(gè)部分組成。由于傳感器節(jié)點(diǎn)通常是一個(gè)微型的嵌入式系統(tǒng)，它的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力相對(duì)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(diǎn)的這些特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于環(huán)境中溫濕度監(jiān)測(cè)的以芯片ＣＣ２４３０為的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

１ＣＣ２４３０簡(jiǎn)介

ＣＣ２４３０芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司提供的首款支持ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議的ＳｏＣ解決方案。它延用了ＣＣ２４２０芯片的架構(gòu)，在單個(gè)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(gè)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(gè)定時(shí)器、ＡＥＳ１２８協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、３２ｋＨｚ晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路，以及２１個(gè)可編程Ｉ／Ｏ引腳。

ＣＣ２４３０芯片采用０．１８μｍＣＭＯＳ工藝生產(chǎn)，工作時(shí)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(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。

ＣＣ２４３０芯片的主要特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)２．４ＧＨｚ頻段的ＲＦ無(wú)線電收發(fā)機(jī)；８ＫＢ的ＳＲＡＭ，其中４ＫＢ可在所有功耗模式下保持?jǐn)?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(shí)器；上電復(fù)位功能；支持硬件調(diào)試功能；優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅０．９μＡ的流耗，外部中斷或ＲＴＣ能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)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(qiáng)大的ＤＭＡ功能；具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)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(gè)強(qiáng)大的、支持幾組協(xié)議的ＵＳＡＲＴ，以及１個(gè)符合ＩＥＥＥ８０２．１５．４規(guī)范的ＭＡＣ計(jì)時(shí)器，１個(gè)常規(guī)的１６位計(jì)時(shí)器和２個(gè)８位計(jì)時(shí)器。

２節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。處理器模塊和無(wú)線通信模塊采用ＣＣ２４３０芯片，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。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(diǎn)的硬件原理框圖如圖１。

ＳＨＴ１０用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度，其工作電壓為２．４～５．５Ｖ，測(cè)濕精度為±４．５％ＲＨ，２５℃時(shí)測(cè)溫精度為±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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。ＳＣＫ數(shù)據(jù)線負(fù)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(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在ＳＣＫ時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在ＳＣＫ時(shí)鐘高電平時(shí)，ＤＡＴＡ必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)ＤＡＴＡ在低電平。需要一個(gè)１０ｋΩ的外部上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平。本設(shè)計(jì)中ＣＣ２４３０的引腳Ｐ１．０用于ＳＣＫ，Ｐ１．１用于ＤＡＴＡ。

３節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件分為數(shù)據(jù)采集、電池能量檢測(cè)和無(wú)線通信這三個(gè)分別設(shè)計(jì)的模塊。以下給出了各個(gè)模塊的流程圖和詳細(xì)說明。

３．１溫濕度數(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(dòng)傳輸時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，然后發(fā)送一組測(cè)量命令（‘０００００１０１’表示相對(duì)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(cè)量結(jié)束，同時(shí)接收數(shù)據(jù)。

其中產(chǎn)生啟動(dòng)傳輸時(shí)序的程序片段如下：

……

Ｐ１＿１＝１；

Ｐ１＿０＝１；

ｗａｉｔ（１）；／／等待１ｍｓ

Ｐ１＿１＝０；

ｗａｉｔ（１）；

Ｐ１＿０＝０；

ｗａｉｔ（１）；

Ｐ１＿０＝１；

ｗａｉｔ（１）；

Ｐ１＿１＝１；

ｗａｉｔ（１）；

Ｐ１＿０＝０；

……

測(cè)量溫度后，通過Ｔ＝ｄ１＋ｄ２×ＳＯＴ計(jì)算出溫度。

測(cè)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(jì)算出相對(duì)濕度。其中常量ｄ１、ｄ２、ｔ１、ｔ２、ｃ１、ｃ２和ｃ３由ＳＨＴ１ｘ數(shù)據(jù)手冊(cè)提供。

３．２電源能量檢測(cè)模塊

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常采用電池供電，電池的能量檢測(cè)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(gè)功能通常用于實(shí)現(xiàn)電池的能量檢測(cè)，即檢測(cè)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(dòng)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(duì)數(shù)值。

由于是對(duì)電池能量的檢測(cè)，可以采用ＣＣ２４３０內(nèi)部提供的１．２５Ｖ電壓作為參考電壓。用這個(gè)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位的采樣精度，則寄存器ＡＤＣＣＯＮ３應(yīng)配置為０ｘ０Ｆ。設(shè)置完寄存器后，ＡＤＣ立即啟動(dòng)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(shí)，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(dòng)恢復(fù)為０。根據(jù)取出的數(shù)值計(jì)算得到當(dāng)前ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ上引腳的電壓。通過連續(xù)采樣１０次進(jìn)行均值濾波，用這個(gè)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(jì)算實(shí)際電壓的代碼如下：

……

Ｖｏｌｔａｇｅ＝（（Ａｖｅｒａｇｅ＊１５）＞＞９）；／／Ｖｏｌｔａｇｅ為實(shí)際電壓的１０倍

……

３．３無(wú)線通信模塊

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)是節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。本小節(jié)以兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信為例，介紹了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的過程和實(shí)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(jiǎn)單的ＭＡＣ層數(shù)據(jù)幀的格式：

其中目標(biāo)地址和源地址分別用１個(gè)字節(jié)表示。本例中只有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)互相通信，分別將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址設(shè)為０和１。標(biāo)志位Ｆｌａｇｓ占１個(gè)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(shí)，表示該幀是數(shù)據(jù)序列中的一幀；第３位為１時(shí)，表示該幀是超時(shí)重傳的數(shù)據(jù)幀；第２位為１時(shí)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(shí)，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到該數(shù)據(jù)幀后要答復(fù)。幀校驗(yàn)ＦＣＳ由２個(gè)字節(jié)表示，是ＭＡＣ層協(xié)議數(shù)據(jù)單元ＭＰＤＵ的校驗(yàn)。如果ＣＣ２４３０的ＲＦ寄存器ＭＤＭＣＴＲＬ０Ｌ．ＡＵＴＯＣＲＣ控制位設(shè)為１，ＦＣＳ將由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)必須由軟件用多項(xiàng)式ｘ１６＋ｘ１２＋ｘ５＋１進(jìn)行ＣＲＣ的生成和校驗(yàn)。

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(zhǎng)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(fù)載ｐａｙｌｏａｄ的字節(jié)長(zhǎng)度在１～１２２之間。如果需要傳送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度超過１２２字節(jié)，則發(fā)送時(shí)這個(gè)數(shù)據(jù)應(yīng)該被拆分成若干數(shù)據(jù)幀，以滿足長(zhǎng)度的限制。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)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)。

ＩＥＥＥ８０２．１５．４規(guī)定了ＲＦ物理層的工作頻段為２．４ＧＨｚ，共有１６個(gè)頻道。每個(gè)頻道的實(shí)際工作頻率和頻道序號(hào)的關(guān)系式為：Ｆｃ＝２４０５＋５×（ｋ－１１）ＭＨｚ，ｋ＝１１，１２，…２６。兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(lái)開啟Ｒｘ，清空Ｒｘ、Ｔｘ的ＦｉＦｏ緩沖區(qū)以及校準(zhǔn)Ｒａｄｉｏ。

ＳＲＸＯＮ；

ＳＦＬＵＳＨＴＸ；

ＳＦＬＵＳＨＲＸ；

ＳＦＬＵＳＨＲＸ；

ＳＴＸＣＡＬＮ；

ＩＳＳＴＡＲＴ；

ＤＭＡ的初始化階段要為Ｔｘ分配１個(gè)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(gè)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：

ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ｛

ＢＹＴＥＳＲＣＡＤＤＲＨ；／／源地址

ＢＹＴＥＳＲＣＡＤＤＲＬ；

ＢＹＴＥＤＥＳＴＡＤＤＲＨ；／／目的地址

ＢＹＴＥＤＥＳＴＡＤＤＲＬ；

ＢＹＴＥＶＬＥＮ：３；

ＢＹＴＥＬＥＮＨ：５；

ＢＹＴＥＬＥＮＬ：８；

ＢＹＴＥＷＯＲＤＳＩＺＥ：１；

ＢＹＴＥＴＭＯＤＥ：２；

ＢＹＴＥＴＲＩＧ：５；

ＢＹＴＥＳＲＣＩＮＣ：２；

ＢＹＴＥＤＥＳＴＩＮＣ：２；

ＢＹＴＥＩＲＱＭＡＳＫ：１；

ＢＹＴＥＭ８：１；

ＢＹＴＥＰＲＩＯＲＩＴＹ：２；

｝ＤＭＡ＿ＤＥＳＣ；

當(dāng)設(shè)置為Ｔｘ準(zhǔn)備的ＤＭＡ通道時(shí)，需將數(shù)據(jù)的源地址ＳＲＣＡＤＤＲＨ：ＳＲＣＡＤＤＲＬ設(shè)為所要發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址，目標(biāo)地址ＤＥＳＴＡＤＤＲＨ：ＤＥＳＴＡＤＤＲＬ設(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(zhǎng)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(jìn)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(jìn)行一個(gè)完整數(shù)據(jù)塊的傳輸。ＣＣ２４３０定義的ＤＭＡ觸發(fā)信號(hào)有３１種之多，由ＴＲＩＧ位設(shè)置。將ＴＲＩＧ設(shè)置為０，表示采用無(wú)觸發(fā)模式，這樣ＤＭＡ在每次接收到ＤＭＡＲＥＱ信號(hào)后才啟動(dòng)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(biāo)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(biāo)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(hào)。本例中設(shè)為０，即禁止ＤＭＡ中斷。Ｍ８是按字節(jié)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)寬度，設(shè)為０表示８位傳輸，為１時(shí)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(jí)設(shè)置，本例中設(shè)為２，即中等優(yōu)先級(jí)。

ＤＭＡ描述設(shè)置好后，通過設(shè)置寄存器ＤＭＡＡＲＭ和ＲＭＲＥＱ的位來(lái)準(zhǔn)備相應(yīng)的ＤＭＡ通道以及啟動(dòng)這個(gè)通道上數(shù)據(jù)塊的傳輸。在啟動(dòng)ＤＭＡ數(shù)據(jù)傳輸之前，將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)地址、標(biāo)志字節(jié)通過直接寫寄存器ＲＦＤ的方式寫入ＴＸＦＩＦＯ。這樣在啟動(dòng)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(dòng)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