基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

3.2 通信模塊

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，最關(guān)鍵的技術(shù)是實現(xiàn)節(jié)點間的通信。隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來越高，能耗越來越少，因此，傳感器節(jié)點的能量主要是耗費在通信上。所以，選擇一塊低能耗的通信芯片將為節(jié)點節(jié)省能量，延長壽命。

CC2420是Chipeon公司開發(fā)的一款低功耗通信芯片。由于其喚醒時延短，使得它能有更多的時間處于睡眠狀態(tài)，從而大大降低了節(jié)點的能耗，延長節(jié)點的壽命。CC2420與ATmega128L的連接如圖5所示。

CC2420有4個SPI通信接口：CSn、SI、SO、SCLK，剛好對應(yīng)ATmega128L的4個SPI通信接口：SS、MO-SI、MISO、SCLK。通過這4條線，處理器可以對CC2420進(jìn)行寫入或讀取配置信息，也可以收發(fā)數(shù)據(jù)。由于CC2420只有從機(jī)模式，因此處理器只能采用主機(jī)模式。如圖5所示，由處理器的SCLK引腳提供時鐘頻率；SS引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，在接收和發(fā)送時，都要保證CSn為低電平；MOSI與MISO分別是數(shù)據(jù)輸出和輸入的引腳。SFD引腳在發(fā)送或接收完開始幀后置為高電平，然后繼續(xù)發(fā)送和接收后面的數(shù)據(jù)。在接收模式下，若地址識別功能使能且識別成功或地址識別功能不使能，則SFD引腳直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完成才降為低電平。若地址識別功能使能但識別失敗，SFD引腳將馬上降為低電平。處理器的ICP引腳可以通過與SFD引腳的連接獲取數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的時間信息。與CCA引腳的連接可使處理器獲取清除通道評估信號。FIFO和FIFOP是與CC2420的RXFIFO(接收數(shù)據(jù)存儲區(qū))相關(guān)的兩個信號。當(dāng)RXFIFO中有數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO就變?yōu)楦唠娖剑钡絉XFIFO為空為止。這樣，處理器便可通過讀取FIFO引腳的電平來判斷CC2420中是否有接收到的數(shù)據(jù)。當(dāng)RXFIFO中未被讀取的數(shù)據(jù)超過某個門限值(可編程沒定)或整個數(shù)據(jù)包接收完成后還未被讀取時，F(xiàn)IFOP引腳就變成高電平。但是，當(dāng)CC2420的地址識別功能使能時，只有到地址識別成功后FIFOP引腳才會發(fā)揮作用，這是為了防止處理器在CC2420的地址識別完成前讀取那些可能無效的數(shù)據(jù)。當(dāng)RXFIFO發(fā)生溢出時，F(xiàn)IFO將變?yōu)榈碗娖?，同時，F(xiàn)IFOP變?yōu)楦唠娖健Ｋ耘cFIFO引腳和FIFOP引腳的連接可以讓處理器知道何時該讀取數(shù)據(jù)。將FIFOP引腳與處理器的一個外部中斷引腳連接，是為了讓處理器能及時讀取CC2420的RXFIFO中的數(shù)據(jù)，從而盡量避免RXFIFO的溢出。

3.3 供電模塊

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能工作在人煙稀少或人類無法到達(dá)的地區(qū)，所以大多只能采用電池供電，且一般不可能更換電池。因此，如何降低節(jié)點能耗是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最關(guān)心的問題之一。CC2420芯片采用低電壓供電(2.1 V～3.6 V)，同時，采用休眠模式，且從休眠模式被激活的時延短，因此有更多的時間處于休眠狀態(tài)，而處于休眠狀態(tài)時芯片的能耗極低，從而大大減少了能耗。CC2420各狀態(tài)下的電流消耗典型值如下：穩(wěn)壓器關(guān)閉為0.02μA，低電位模式為20μA，空閑模式為426μA，接收模式為18.8 mA，發(fā)送模式(輸出功率P=0 dBm)為17.4 mA。

同時，ATmega128L也是一款采用低電壓供電的芯片(2.7 V～5.5 V)。而且ATmega128L有6種睡眠模式：空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的Standby模式?？筛鶕?jù)需要，通過軟件編程或硬件復(fù)位等方式來控制處理器進(jìn)入睡眠模式，節(jié)省能耗。同時，各種睡眠模式都有各自的喚醒源，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要處理器處理時，便可由喚醒源將其喚醒，進(jìn)入工作狀態(tài)，一旦處理完成，再次進(jìn)入睡眠狀態(tài)。采用這種工作方式，處理器能夠最大限度地節(jié)約能耗。

3.4 設(shè)計要點

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的特殊性要求其節(jié)點體積越小越好，因此在元器件的選擇上當(dāng)然是選擇同類型中體積最小的。但是節(jié)點體積越小，在設(shè)計電路板布線時可能會因為線路間距離太小而產(chǎn)生十?dāng)_，因此抗干擾設(shè)計是節(jié)點設(shè)計時的重點問題?？梢园央娐钒逶O(shè)計成4層板。頂層布信號線，主要是傳輸通過天線接收和發(fā)送的信號。該層空白區(qū)域用金屬層覆蓋，并通過幾個孔接地；第2層可以布數(shù)據(jù)線，將用于節(jié)點內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)木€路都布置在這一層；第3層布供電線路；第4層作為接地層。各元件的接地引腳應(yīng)使用單獨過孔，盡量靠近封裝引腳接地，去耦電容也應(yīng)盡量靠近電源腳放置，并通過單獨過孔接地。同時，為了抗電磁干擾，最好把數(shù)字電源和模擬電源、數(shù)字地和模擬地隔離開來，一般可采用0 Ω電阻或磁珠來進(jìn)行隔離。

4 節(jié)點的優(yōu)勢

選擇CC2420作為無線收發(fā)芯片的一個顯然的優(yōu)勢就是它工作于ISM免執(zhí)照頻段。此外，由于芯片采用了休眠模式，使其具有超低能耗和以年計算的壽命。由于芯片的成本低，因此也就更符合傳感器網(wǎng)絡(luò)需要大量分布節(jié)點的特點。再者，芯片已經(jīng)集成了CRC和數(shù)據(jù)完整性檢查等功能，這就相對減少了程序員編程的工作量，而且硬件處理速度一般都快于軟件處理速度，因此加快了通信的速度，減少了能量消耗。同時，芯片還采用了CSMA-CA技術(shù)來避免數(shù)據(jù)發(fā)送時的競爭和沖突，減少了一部分不必耍的能量消耗。

5 結(jié)束語

近幾年，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)越來越受到人們的重視，尤其隨著集成電路和無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點越來越少，能耗越來越少，適用范圍越來越廣。Zigbee協(xié)議是由Zigbee聯(lián)盟開發(fā)的一種針對短距離、低速率、低功耗應(yīng)用的無線通信協(xié)議，于2004年12月正式獲得批準(zhǔn)。CC2420是Chipcon公司開發(fā)的全球首塊符合Zigbee標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片?；贑C2420的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有成本低、能耗小等特點，而這些特點正是傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中最為重視的熱點，因此，該設(shè)計方案有廣闊的應(yīng)用前景。