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。

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。首先用一組啟動傳輸時序進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟缓蟀l(fā)送一組測量命令(‘00000101’表示相對濕度，‘00000011’表示攝氏溫度)，釋放DATA線，等SHT10下拉DATA至低電平，表示測量結(jié)束，同時接收數(shù)據(jù)。
　　其中產(chǎn)生啟動傳輸時序的程序片段如下：
　　……
　　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；
　　……
　　測量溫度后，通過T=d1+d2×SOT計算出溫度。
　　測量濕度后，再根據(jù)當(dāng)前的溫度，通過RH=(T℃-25)×(t1+t2×SORH)+c1+c2×SORH+c3×SORH2，計算出相對濕度。其中常量d1、d2、t1、t2、c1、c2和c3由SHT1x數(shù)據(jù)手冊提供。
3.2 電源能量檢測模塊
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通常采用電池供電，電池的能量檢測是重要環(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AV_DD_SoC引腳上的1/3電壓。這個功能通常用于實現(xiàn)電池的能量檢測，即檢測當(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)。完成一次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數(shù)值。
　　由于是對電池能量的檢測，可以采用CC2430內(nèi)部提供的1.25V電壓作為參考電壓。用這個參考電壓采樣AV_DD_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立即啟動一次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)?時，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位自動恢復(fù)為0。根據(jù)取出的數(shù)值計算得到當(dāng)前AV_DD_SoC上引腳的電壓。通過連續(xù)采樣10次進行均值濾波，用這個平均值與用戶設(shè)定的最低有效工作電壓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A(chǔ)verage計算實際電壓的代碼如下：
　　……
　　Voltage=( (Average*15)>>9)；//Voltage為實際電壓的10倍
　　……
3.3 無線通信模塊
　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)是節(jié)點之間的點對點通信。本小節(jié)以兩個節(jié)點之間的通信為例，介紹了點對點通信的過程和實現(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個字節(jié)表示。本例中只有兩個節(jié)點互相通信，分別將兩個節(jié)點的地址設(shè)為0和1。標(biāo)志位Flags占1個字節(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)的最高位為1時，表示該幀是數(shù)據(jù)序列中的一幀；第3位為1時，表示該幀是超時重傳的數(shù)據(jù)幀；第2位為1時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，表示目標(biāo)節(jié)點在收到該數(shù)據(jù)幀后要答復(fù)。幀校驗FCS由2個字節(jié)表示，是MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元MPDU的校驗。如果CC2430的RF寄存器MDMCTRL0L.AUTOCRC控制位設(shè)為1，F(xiàn)CS將由硬件自動實現(xiàn)，負責(zé)必須由軟件用多項式x¹⁶+x¹²+x⁵+1進行CRC的生成和校驗。
　　由于IEEE802.15.4規(guī)范中定義了物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元(PSDU)的最大長度為127字節(jié)，而其中的5字節(jié)已經(jīng)被使用，因此有效負載payload的字節(jié)長度在1～122之間。如果需要傳送的數(shù)據(jù)長度超過122字節(jié)，則發(fā)送時這個數(shù)據(jù)應(yīng)該被拆分成若干數(shù)據(jù)幀，以滿足最大長度的限制。目標(biāo)節(jié)點則必須能夠?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個頻道。每個頻道的實際工作頻率和頻道序號的關(guān)系式為：Fc=2405+5×(k-11)MHz，k=11，12，…26。兩個節(jié)點的RF必須工作在相同的頻道上，才能夠互相收發(fā)數(shù)據(jù)。完成一次數(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，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)行下面的代碼來開啟Rx，清空Rx、Tx的FiFo緩沖區(qū)以及校準Radio。
　　SRXON；
　　SFLUSHTX；
　　SFLUSHRX；
　　SFLUSHRX；
　　STXCALN；
　　ISSTART；
　　DMA的初始化階段要為Tx分配1個空閑的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：
　　typedef struct {
　　　BYTE SRCADDRH；//源地址
　　　BYTE SRCADDRL；
　　　BYTE DESTADDRH；//目的地址
　　　BYTE DESTADDRL；
　　　BYTE VLEN  ：3；
　　　BYTE LENH  ：5；
　　　BYTE LENL   ：8；
　　　BYTE WORDSIZE ：1；
　　　BYTE TMODE  ：2；
　　　BYTE TRIG   ：5；
　　　BYTE SRCINC  ：2；
　　　BYTE DESTINC  ：2；
　　　BYTE IRQMASK  ：1；
　　　BYTE M8   ：1；
　　　BYTE PRIORITY  ：2；
　　} DMA_DESC；
　　當(dāng)設(shè)置為Tx準備的DMA通道時，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)傳送模式按照一次觸發(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，即一次DMA觸發(fā)可進行一個完整數(shù)據(jù)塊的傳輸。CC2430定義的DMA觸發(fā)信號有31種之多，由TRIG位設(shè)置。將TRIG設(shè)置為0，表示采用無觸發(fā)模式，這樣DMA在每次接收到DMAREQ信號后才啟動一次數(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。本例中設(shè)為0，即禁止DMA中斷。M8是按字節(jié)傳輸時的數(shù)據(jù)寬度，設(shè)為0表示8位傳輸，為1時表示只傳輸字節(jié)的低7位。本例中設(shè)為0。PRIORITY用于優(yōu)先級設(shè)置，本例中設(shè)為2，即中等優(yōu)先級。
　　DMA描述設(shè)置好后，通過設(shè)置寄存器DMAARM和RMREQ的位來準備相應(yīng)的DMA通道以及啟動這個通道上數(shù)據(jù)塊的傳輸。在啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸之前，將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的長度、目標(biāo)節(jié)點地址、源節(jié)點地址、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I(lǐng)STXONCCA啟動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設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為32MHz，且應(yīng)確保Rx工作在Tx相同的頻道上，并設(shè)置DMA通道。其中DMA的數(shù)據(jù)源為寄存器RFD，并將DMA觸發(fā)信號設(shè)為RADIO，即Radio接收到數(shù)據(jù)時觸發(fā)DMA。數(shù)據(jù)接收的程序流程如圖6所示。

　　本文在總結(jié)歸納對芯片CC2430已有研究成果的基礎(chǔ)上，闡述了基于CC2430的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計和實現(xiàn)，并詳細介紹了兩個節(jié)點之間點對點通信的實現(xiàn)。在實驗中，節(jié)點能夠采集環(huán)境的溫、濕度和節(jié)點的電池電壓，并將采集的數(shù)據(jù)在節(jié)點中傳播。本文的研究為進一步的上層通信協(xié)議設(shè)計提供了基礎(chǔ)，具有一定的研究意義。