低功耗射頻無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)電路

隨著集成電路、無(wú)線通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)運(yùn)而生，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信模塊體積大，需要控制芯片來(lái)控制射頻模塊，這就增加了設(shè)計(jì)的成本，而且可移動(dòng)性不好。

半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步使處理器芯片可以被集成為體積很小的一塊，而價(jià)格變得更便宜，專用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片和技術(shù)也得到發(fā)展。文中采用了TI公司的CC430F5137($3.3750)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)模塊。CC430F5137是一款內(nèi)部集成了射頻核的芯片，它內(nèi)置了CC1101($2.0625)射頻核，使用單顆芯片就可以完成數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)，本文采用了射頻模塊的無(wú)線喚醒(WOR)功能。同時(shí)，利用射頻核的空閑信道評(píng)估(CCA)功能改進(jìn)了射頻發(fā)送的算法，提高了多節(jié)點(diǎn)向中繼器模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的準(zhǔn)確性。

總體設(shè)計(jì)方案

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)。它是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。

傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般受到工作環(huán)境的影響，功耗問(wèn)題是要首先考慮的?？紤]到低功耗要求的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)設(shè)備的主控MCU選擇 CC430F5137，利用它內(nèi)置的射頻通信模塊進(jìn)行射頻通信。由于其低功耗的特點(diǎn)可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無(wú)線喚醒功能，能史好地降低系統(tǒng)功耗。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以掛接多個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，而每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址必須唯一。本文設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的地址，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址。通過(guò)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(hào)的傳感器器件，以達(dá)到測(cè)試不同物理量的要求。節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)電路總體設(shè)計(jì)

CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6 V，選程度用兩節(jié)7號(hào)電池來(lái)提供3 V的直流電壓。配合軟件的設(shè)置可以最大程度地降低功耗。系統(tǒng)的關(guān)鍵部分是射頻發(fā)送利用一個(gè)射頻的天線模塊，可以保證射頻通信的穩(wěn)定性，此無(wú)線模塊由芯片的 RF_N和RF_P兩個(gè)引腳接入。另外根據(jù)射頻發(fā)送的需要，接入一個(gè)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(gè)引腳作為串口調(diào)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(gè)接口用來(lái)預(yù)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(shè)定電路

為了使每個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址唯一，采用8位的撥碼開(kāi)關(guān)SW進(jìn)行地址設(shè)定。如圖3所示，可以由撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)的地址，可以設(shè)定255個(gè)不同的地址，每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)作為從設(shè)備向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送到用于網(wǎng)絡(luò)管理的主控MCU，完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳送。

本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術(shù)設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，這種設(shè)計(jì)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(hào)，能將采集到的數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定地傳送到中間數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。設(shè)計(jì)中載波監(jiān)聽(tīng)功能和信道空閑評(píng)估功能改進(jìn)的射頻發(fā)送函數(shù)，可以有效地提高多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的抗干擾性。