低功耗射頻無線數(shù)據采集節(jié)點電路

　　隨著集成電路、無線通信技術和嵌入式技術的發(fā)展，無線通信網絡也應運而生，無線傳感網絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。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，這就增加了設計的成本，而且可移動性不好。

　　半導體技術的不斷進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，專用的無線網絡芯片和技術也得到發(fā)展。文中采用了TI公司的CC430F5137設計并實現(xiàn)了一種應用于無線網絡中的節(jié)點模塊。CC430F5137是一款內部集成了射頻核的芯片，它內置了CC1101射頻核，使用單顆芯片就可以完成數(shù)據的采集、處理、發(fā)送與接收，使電路板的體積可以變得更小、更便宜。為了實現(xiàn)網絡節(jié)點的低功耗設計，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）功能改進了射頻發(fā)送的算法，提高了多節(jié)點向中繼器模塊發(fā)送數(shù)據時的準確性。

　　總體設計方案

　　無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成的網絡。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成的無線網絡，以協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網絡所有者。無線傳感器網絡主要實現(xiàn)了數(shù)據的采集、處理和傳輸三種功能。

　　傳感器網絡節(jié)點一般受到工作環(huán)境的影響，功耗問題是要首先考慮的。考慮到低功耗要求的設計，節(jié)點設備的主控MCU選擇 CC430F5137，利用它內置的射頻通信模塊進行射頻通信。由于其低功耗的特點可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無線喚醒功能，能史好地降低系統(tǒng)功耗。

　　無線傳感器網絡中可以掛接多個節(jié)點設備，而每個節(jié)點設備的地址必須唯一。本文設計的節(jié)點設備采用撥碼開關來設置每個節(jié)點設備的地址，確保每個節(jié)點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，以達到測試不同物理量的要求。節(jié)點的系統(tǒng)結構如圖1所示。

　　節(jié)點硬件設計

　　節(jié)點電路總體設計

　　CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6 V，選程度用兩節(jié)7號電池來提供3 V的直流電壓。配合軟件的設置可以最大程度地降低功耗。系統(tǒng)的關鍵部分是射頻發(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。另外根據射頻發(fā)送的需要，接入一個26 MHz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，這三個接口用來預留連接傳感器的芯片。系統(tǒng)的主電路圖如圖2所示。

　　地址設定電路

　　為了使每個節(jié)點的地址唯一，采用8位的撥碼開關SW進行地址設定。如圖3所示，可以由撥碼開關來設定終端節(jié)點的地址，可以設定255個不同的地址，每一個終端節(jié)點作為從設備向中繼節(jié)點發(fā)送數(shù)據，然后由中繼節(jié)點發(fā)送到用于網絡管理的主控MCU，完成無線傳感器網絡數(shù)據的傳送。

　　本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術設計的無線數(shù)據采集節(jié)點，這種設計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)據安全穩(wěn)定地傳送到中間數(shù)據采集點。設計中載波監(jiān)聽功能和信道空閑評估功能改進的射頻發(fā)送函數(shù)，可以有效地提高多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據時的抗干擾性。