基于RF芯片CC2510的無線傳感器網絡節(jié)點設備設計

1 引言

隨著微電子技術、計算機網絡技術和通信技術的發(fā)展，無線傳感器網絡日漸成為互聯(lián)網領域研究的熱點之一，無線傳感器網絡具有“無處不在”和節(jié)點數(shù)量龐大等特點，適用于軍事、智能家居、環(huán)境監(jiān)測和預報、醫(yī)療護理、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)控制領域，無線傳感器網絡節(jié)點設備是構成無線傳感器網絡的基礎，基本組成和功能包括如下幾個單元[1]：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構成、包括cpu、存儲器等）、通信單元（由無線通信模塊組成）和電源單元，如圖1所示，此外，可選擇的其他功能單元包括定位系統(tǒng)、移動系統(tǒng)及電源自供電系統(tǒng)等，通常，此類設備具有微型、低功耗、低成本、可擴展性、高安全性等特點。

2 cc2510的功能及內部結構

2.1 功能

cc2510是chipcon公司于2005年11月推出的一款2.4ghz射頻收發(fā)器，該器件成本低，包含uhf rf收發(fā)器和高性能低功耗8051微控制器，集成了32kb在系統(tǒng)可編程flash和外設內嵌4kb sram，cc2510功能強大，擁有128位aes安全協(xié)處理器和dma功能；系統(tǒng)時鐘是16mhz片內rc振蕩器或26mhz晶體振蕩器，實時時鐘采用低功耗32.768khz晶體振蕩器或內部34khz rc振蕩器，具有高靈敏度（10kb/s下為-100dbm）和較高的接收靈敏度和阻塞功能，支持2-fsk，gfsk和msk等調制方式；支持數(shù)字rssi/lqi，工作電壓2.0v-3.6v；具有21個通用i/o接口、兩個uart/spi接口和可編程看門狗計時器，片內有1個16位定時器和3個8位定時器，真正的隨機號碼發(fā)生器，支持硬件是，有兩個數(shù)據(jù)指針。cc2510采用chipcon公司的smart rf 04技術，以0.18μm cmos工藝制成，只需極少外部元件就可以構成性能穩(wěn)定且功能極低的片上系統(tǒng)（soc）。cc2510的選擇性和敏感性指數(shù)優(yōu)越，可確保短距離通信的有效性和可靠性，除上述特點外，該器件還包含8路8-14位adc，具備4種靈活的降功耗模式，從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的過渡時間非?？?，內嵌溫度傳感器，非常適合作為無線傳感器網絡節(jié)點設備。

2.2 cc2510內部結構

cc2510器件的部結構如圖2所示，其中cc2510的處理器采用兼容8051單片機內核的結構及指令系統(tǒng)，該內核通過3種不同的內存訪問總線（sfr，data和code/xdata）對內存進行訪問控制，sfr總線負責將所有的外設同內存仲裁相連接，還負責cpu與射頻寄存器之間的交互，此外，在系統(tǒng)中還存在有一個處于核心地位的設備——內存仲裁。內存仲裁通過sfr總線將cpu、dma模塊、存儲器以及其他外設連接在一起。內存仲裁通過4個內存器指針選擇接入sram、flash存儲器或者sfr寄存器。系統(tǒng)通過中斷控制器維護4種不同優(yōu)先級的18個中斷源，這些中斷源被分成6組，每組關聯(lián)一種中斷優(yōu)先級。為降低功耗，系統(tǒng)可支持4種工作模式，表1給出了這4種工作模式的特點和狀態(tài)。

cc2510包含有8路8-14位adc，支持單端輸入和差分輸入兩種模式，能夠采用可選正向參考電壓，adc中還包含了一個溫度傳感器通道，可以直接連接片內集成的溫度傳感器，adc的輸入端口復用通用i/o端口的p0部分作為ain0-ain7端口，圖3給出了adc模塊的框圖，cc2510的adc轉換結果一般為13位，這些結果通常存儲于adc數(shù)據(jù)寄存器adch及adcl中，adc轉換結束能夠觸發(fā)自己中斷，即便是由于在adch與adcl之間讀取而造成adc無法訪問數(shù)據(jù)寄存器，并因此丟失了轉換數(shù)據(jù)，中斷仍會被觸發(fā)。

天線接收的射頻信號經過低噪聲放大器和i/o下變頻處理后，中頻信號只有2mhz，此混合i/o信號經過濾波、放大、ad變換，自動增益控制、數(shù)字調節(jié)和解擴，最終恢復出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)，發(fā)射機部分基于直接上變頻，cc2510的發(fā)射部分基于rf頻率的直接合成。頻率合成器包括一個完整的片上lc壓控振蕩器和一個90°得相移器，產生接收模式時下變頻器作為合成器、ad時鐘和數(shù)字部分時鐘的參考頻率，系統(tǒng)使用sfr（特殊功能寄存器）寄存器作為接口為來自cpu的數(shù)據(jù)進行緩沖，寄存器的配置和狀態(tài)可以從寄存器映射存儲器xdata中查詢。數(shù)字基帶信號支持通道配置，包處理和數(shù)據(jù)緩沖，片上的電壓校正器產生一個校正過的1.8v供電電壓。

3 無線傳感器網絡節(jié)點設備設計

3.1 硬件設置

針對無線傳感器網絡的特點，依據(jù)cc2510的內部結構，針對器件內部已嵌入的溫度傳感器，添加其他傳感器件，可以設計基于多傳感器的無線傳感器網絡節(jié)點設備，圖4給出了基于片內溫度傳感器和光敏器件的溫度-光強傳感器的節(jié)點設備電路圖，其中pa為光敏電阻，c21為去耦電容，器件本振信號可由外部有源晶體提供，也可以由內部電路提供，由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和負載電容，電容的取值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)，該設備可采用3.0v電池供電。

射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50ω，發(fā)射部分經過前端π型匹配網絡向50ω垂直天線饋電，如果不希望采用上述匹配網絡，可以采用t型pcb天線直接與器件相連。

3.2 軟件設置

軟件設置主要包括三個方面：主機調度函數(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理方式、射頻數(shù)據(jù)收發(fā)處理函數(shù)，對于應用多傳感器的傳感器網絡節(jié)點設備，主機調度函數(shù)可以采用有競爭的中斷方式進行全局調度，數(shù)據(jù)采用與處理方式依據(jù)硬件自身特點實現(xiàn)，希望通過描述性語言給出主機調度函數(shù)的實現(xiàn)思想：

cc2510內置一個可以在不同操作狀態(tài)（模式）之間轉換的狀態(tài)機，應用該狀態(tài)機，可以通過使用寫入指令來實現(xiàn)狀態(tài)之間的轉換，圖5給出了射頻控制的狀態(tài)轉換圖。這里借用marcstate狀態(tài)寄存器中讀出的狀態(tài)字作為各個狀態(tài)的標識。

在節(jié)點工作過程中，設定兩個激活狀態(tài)：接收（rx）和發(fā)送（tx），通過cpu向rfst寄存器中寫入srx和stx指令來實現(xiàn)狀態(tài)的遷移。當rx被激活時，器件將處于接收狀態(tài)，直至rx終止定時器超時或成功地收到一個包。如果射頻控制及當前位于發(fā)送狀態(tài)，并且srx寫入，當前的發(fā)送狀態(tài)被中止，開始向rx過渡。如果射頻控制器當前位于rx狀態(tài)，當stx或者sfstxon命令發(fā)布時，如果是暢通的信道就進入tx狀態(tài)，如果信道不暢通，器件仍將處于rx狀態(tài)，在任何時候，sidle命令總是能夠迫使射頻控制器進入空閑狀態(tài)。

注意：由于使用了pqt、cs、最大同步字長和同步字評價模式，可以有效減少探測到錯誤同步字的可能性。在成功地接收到數(shù)據(jù)包以后，射頻控制器將根據(jù)系統(tǒng)設置進入如下狀態(tài)：

idle：空閑；

fstxon：在tx頻率時，頻率合成器打開并且已經準確好，用stx激活tx；

tx：開始發(fā)送開端；

rx：開始搜尋一個新的包。

類似地，當tx被激活時，器件一直處于tx狀態(tài)，直到當前的包被成功地發(fā)送出，然后狀態(tài)會根據(jù)mcsm1.txoff_mode設置提示的狀態(tài)改變。有關狀態(tài)轉換條件需要根據(jù)實際應用場合人為地選擇設定，在此不再贅述。

4 配置傳感器網絡節(jié)點間的通信

根據(jù)cc2510的特點，可以人為設定mac層協(xié)議以完成節(jié)點間的通信，從而構成星型或者網型（mesh）無線傳感器網絡，本文設計了一種基于載波偵聽、沖突避免機制的可變包長的mac層協(xié)議—— mac_s，采用8bit地址標識各個無線傳感器節(jié)點，該協(xié)議支持基于rssi的lqi鏈路質量描述、物理層采用曼徹斯特碼編碼的2-fsk調制方式，在這里，可以利用cc2510中通過軟件設定讓信號通過一個高斯濾波器，從而產生一個gfsk調制信號，限于篇幅有關這一mac層協(xié)議的細節(jié)將另撰文論述，這里僅簡單介紹包格式及其處理過程，圖6給出了上述mac_s協(xié)議的包格式。

其中，4字節(jié)引導字用于標識報文開端，同步字用于提取同步信息，包長度通常包括自身在內的后續(xù)地址和載荷報文長度，校驗域通過crc-16算法進行校驗，在發(fā)送模式下，包處理器過程如下：發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被送入ram中的緩存區(qū)進行相應的幀打包操作，取發(fā)送凈荷依據(jù)轉發(fā)表填入地址并計算包長度，將一定數(shù)量的可編程的開端字節(jié)，mac_s協(xié)議用4個開端字節(jié)，然后添加兩字節(jié)的同步字，在數(shù)字據(jù)中計算和加入crc校驗和并發(fā)送出去，在接收模式時，包處理支持將會分解數(shù)據(jù)包：首先進行開端檢測、提取rssi信息，然后進行同步字檢測，接著檢測地址、進行地址長度匹配并計算和檢查crc。最后將數(shù)據(jù)凈荷提交上層進行處理，從而完成一次接收交互。

5 結束語

cc2510是一款高集成度的工業(yè)用射頻收發(fā)器，其mac層和phy層可以適用于多種協(xié)議標準，工作于2.4ghz工業(yè)、科研和醫(yī)療頻段。通過添加簡單的外設，可構成功能強大的傳感器網絡節(jié)點設備。chipcom公司在推出芯片的同時，還提供該器件的系列評估軟件-smart rfstusio。通過該軟件設置可以對器件進行性能和功能測試，方便用戶進行二次開發(fā)。