引言

WSN（無線傳感器網(wǎng)絡(luò)）是一種基于多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)，通過部署在監(jiān)測區(qū)域的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)，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。WSN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(bào)告中，分別被列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。WSN在軍事、民用及工商業(yè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。通過WSN，在軍事領(lǐng)域，可將戰(zhàn)場上獲取的信息及時(shí)迅速地傳回指揮部；在民用領(lǐng)域，可以應(yīng)用在智能家居、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健災(zāi)害預(yù)測等；在工商業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用于工業(yè)自動化及空間探索等。WSN是當(dāng)今國內(nèi)外通信領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)。

在WSN中，傳感器節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中最基本的單元，是構(gòu)成WSN的基礎(chǔ)。傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器單元、處理器單元、無線通信單元及電源供應(yīng)單元4部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電，節(jié)點(diǎn)能量有限，而且它的數(shù)據(jù)處理能力、存儲能力及節(jié)點(diǎn)間通信能力也有限，因此，傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的好壞將直接影響網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。本文根據(jù)上述特點(diǎn)要求，采用CC1110芯片設(shè)計(jì)WSN節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)結(jié)果較好地滿足了特點(diǎn)要求。

1、CC111O芯片簡介

CC1110芯片是美國TI公司的一款1 GHz以下頻帶的低功耗RF（射頻）SoC（片上系統(tǒng)）解決方案。該芯片采用Chipcon公司Smart RF 04技術(shù)，以0.18 μmCMOS工藝制成，只需極少外部元件就可以構(gòu)成性能穩(wěn)定且功耗極低的SoC。

CC1110芯片的工作電壓為2.0 V～3.6 V，具有豐富的外圍接口。片內(nèi)具有21個(gè)GPIO、2個(gè)USART接口和可編程看門狗計(jì)時(shí)器；擁有1個(gè)16位定時(shí)器、3個(gè)8位定時(shí)器以及隨機(jī)數(shù)發(fā)生器；嵌入式128位AES安全協(xié)處理器和強(qiáng)大的DMA功能等。在RF性能上，具有高靈敏度（在1.2 kBaud的速率下為-110 dBm）和較高的接收靈敏度和阻塞功能；支持2-FSK、GFSK和MSK等調(diào)制方式，頻率范圍為300。MHz～348 MHz、391 MHz～464 MHz及782 MHz～928 MHz；支持?jǐn)?shù)字RSSI／LQI；最大輸出功率可以達(dá)到10 dBm，最大數(shù)據(jù)率可以達(dá)到500 kBaud。

總之，CC1110具有高集成度與低功耗特性，在6 mm×6 mm的QLP封裝中，集成了CC1101 RF收發(fā)器、增強(qiáng)型8051微控制器、8／16／32 kB Flash存儲器及1／2／4 kB RAM等強(qiáng)大功能；擁有4種功耗管理模式，從低功耗狀態(tài)切換到工作狀態(tài)的過渡時(shí)間非?？?。因此，適用于報(bào)警與安全、自動讀表、工業(yè)監(jiān)控以及樓宇自動化等領(lǐng)域，能夠滿足WSN對電池使用壽命、尺寸、成本以及產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間的要求。

2、節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CC1110芯片只要極少數(shù)外圍元件就能夠搭建穩(wěn)定可靠且功耗低的SoC，大大簡化了RF電路的設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)工作在433 MHz頻段。圖2是CC1110的參考設(shè)計(jì)，主要由CC1110芯片、射頻匹配電路和其他外圍元件組成。

RF匹配電路用來匹配芯片輸入、輸出阻抗，使其輸入、輸出阻抗為50 Ω，同時(shí)，為芯片內(nèi)部的PA（功率放大器）及LNA（低噪聲放大器）提供直流偏置。阻抗匹配電路采用BALUN電路，由L232、L242、C234和C241組成。CC1110的RF信號采用差分方式，在433 MHz頻段，其最佳差分阻抗為116+j41 Ω。

RF部分電路設(shè)計(jì)參考圖2的典型設(shè)計(jì)，但對電路進(jìn)行了少量修改，加入PA。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境需要，節(jié)點(diǎn)可以工作在有PA、無PA兩種狀態(tài)，比如Coordi-nator、Range Extender兩節(jié)點(diǎn)可以工作在加PA的方式下（一般采用市電供電），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖如圖3所示。

節(jié)點(diǎn)的傳感器模塊采用瑞士SENSIRION公司的基于Sensirion技術(shù)的全校準(zhǔn)數(shù)字式溫濕度傳感器SHT71。在一個(gè)芯片上，集成了溫濕度傳感器、信號放大調(diào)整器、A／D轉(zhuǎn)換器和總線接口，可以提供-40℃～120℃范圍內(nèi)分辨率為14 bit的溫度測量以及0～100％范圍內(nèi)分辨率為12 bit的濕度測量。SHT71采用串行接口與CC1110相連，它的串行時(shí)鐘輸入線SCK和串行數(shù)據(jù)線DATA直接與CC1110的GPIO口線相連，電路連接示意圖如圖4所示。

3、節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度采集部分和無線數(shù)據(jù)通信部分。

3.1溫濕度采集

溫濕度傳感器SHT71通過SCK與CC1110保持同步，通過DATA線收發(fā)通信協(xié)議命令和數(shù)據(jù)。其控制流如下：CC1110發(fā)送一組“啟動傳輸”時(shí)序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化，然后發(fā)送一組測量命令，釋放DATA線，等待SHT71下拉DATA線至低電平，表示測量結(jié)束，同時(shí)接收數(shù)據(jù)。CC1110收到測量值后，可根據(jù)如下公式計(jì)算出溫度T和相對濕度H：

式中：系數(shù)d1、d2、c1、c2和c3可以查閱相關(guān)手冊。

3.2無線數(shù)據(jù)通信

下面以節(jié)點(diǎn)間點(diǎn)對點(diǎn)通信為例，介紹無線傳感器節(jié)點(diǎn)間通信實(shí)現(xiàn)方法及通信過程。CC1110的MAC幀結(jié)構(gòu)簡單，剔除物理層的前導(dǎo)碼和同步字，只包含一個(gè)可選的長度字節(jié)n、一個(gè)可選的地址字節(jié)，用戶數(shù)據(jù)和兩個(gè)可選的CRC字節(jié)，如圖5所示。

為了方便通信過程中的數(shù)據(jù)處理，軟件上定義了如下數(shù)據(jù)收發(fā)處理結(jié)構(gòu)：

其中，標(biāo)志位flags占1個(gè)字節(jié)，用于表示當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的類型。flags字節(jié)中的flags字節(jié)的第0位為1時(shí)，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到該數(shù)據(jù)幀后不要ACK；第1位為1時(shí)，表示目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到該數(shù)據(jù)幀后要ACK；第2位為1時(shí)表示該幀是ACK幀；第3位為1時(shí)，表示該幀是超時(shí)重傳幀；最高位為1時(shí)，表示該幀是數(shù)據(jù)序列中的一幀。

接著闡述傳感器節(jié)點(diǎn)的通信射頻設(shè)置。節(jié)點(diǎn)工作時(shí)使用的晶振頻率為26 MHz，RF初始化時(shí)，設(shè)置寄存器FREQ2、FREQ1和FREQ0，配置RF的物理層最低信道的工作頻率；通過寄存器CHANNR的CHAN位域來設(shè)置通信信道；設(shè)置寄存器MDMCFG0的CHANSPC_M位域及寄存器MDMCFG1的CHANSPC_E位域來設(shè)置信道間隔。具體的載波頻率fc可以用下式表示：

式中：fref為26 MHz，最大信道間隔為405 kHz。當(dāng)然，可以通過TI公司的軟件SmartRF Studio來計(jì)算這些寄存器設(shè)置值。

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)中通過DMA方式實(shí)現(xiàn)RF模塊與Memory間數(shù)據(jù)訪問，而不用CPU干預(yù)。DMA通道描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

以發(fā)送為例，闡述DMA的配置過程及每個(gè)結(jié)構(gòu)體成員的意義。

在發(fā)送時(shí)，首先將數(shù)據(jù)的源地址SRCADDRH和SRCADDRL設(shè)為所要發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址，目標(biāo)地址DESTADDRH和DESTADDRL設(shè)為寄存器RFD的地址。

然后，在LENH和LENL位域設(shè)置所要發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，VLEN位域設(shè)為0；將WORDSIZE位域設(shè)為0，讓DMA一次只傳輸1個(gè)字節(jié)；將TMODE位域設(shè)置為0（SINGLE模式，DMA的數(shù)據(jù)傳送模式可分成4種），即表示數(shù)據(jù)傳送過程中，一次DMA觸發(fā)可進(jìn)行一個(gè)WORDSIZE的傳輸。將TRIG位域配置為RF觸發(fā)模式（DMA觸發(fā)信號有31種）；CSRCINC位域和DES-TINC位域分別用于設(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。本例中數(shù)據(jù)源地址選擇增1，而數(shù)據(jù)目標(biāo)地址設(shè)置為不變（只有RFD寄存器）；IRQMASK位域位用于設(shè)置在DMA數(shù)據(jù)傳輸完后是否發(fā)中斷信號，本例設(shè)為禁止DMA中斷；M8位域是按字節(jié)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)寬度，設(shè)為0表示8位傳輸，為1時(shí)表示只傳輸字節(jié)的低7位；將PRIORITY位域設(shè)置為低優(yōu)先級。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

傳感器節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小。設(shè)計(jì)的CC1110傳感器節(jié)點(diǎn)在通信頻率為433 MHz、調(diào)制方式為2-FSK時(shí)進(jìn)行了單包發(fā)送、連續(xù)發(fā)送以及點(diǎn)對點(diǎn)對發(fā)測試，并進(jìn)行了誤碼率測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為理想，空曠環(huán)境通信距離達(dá)到1 km左右，誤碼率為1%左右。功率放大測試中，帶PA功能的節(jié)點(diǎn)輸出功率達(dá)到25 dBm左右，很好地滿足了設(shè)計(jì)性能。

5、結(jié)束語

本文闡述了基于CC1110的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程。節(jié)點(diǎn)能夠采集現(xiàn)場環(huán)境的溫濕度，并上發(fā)至上層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本文的研究工作為進(jìn)一步研究無線傳感器通信協(xié)議提供了良好的硬件基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)結(jié)果也表明，以CC1110為核心的傳感器節(jié)點(diǎn)為WSN的實(shí)現(xiàn)提供了一種解決方案，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

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