基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點,以CC2430芯片為核心設(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。
關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 傳感器節(jié)點 CC2430
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)展報告中,分別被列為21世紀(jì)最有影響的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為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
1 CC2430簡介
CC2430芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持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。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(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(biāo)準(zhǔn)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 802.15.4規(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。
2 節(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。
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,測濕精度為±4.5%RH,25℃時測溫精度為±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。
3 節(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。
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