基于CC2430的無線傳感器網絡節點設計

基于無線傳感器網絡的特點，以CC2430芯片為核心設計了一種微型傳感器節點。詳細闡述了傳感器節點的溫濕度數據采集模塊、電池能量檢測模塊以及節點之間“點對點”無線通信的軟件流程。
　　關鍵詞： 無線傳感器網絡 傳感器節點 CC2430

　　無線傳感器網絡是由部署在監測區域內的大量微型傳感器節點組成的，通過無線通信方式形成一個多跳的自組織的網絡系統，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送給觀察者。無線傳感器網絡技術在美國商業周刊和MIT技術評論的預測未來技術發展報告中，分別被列為21世紀最有影響的21項技術和改變世界的10大技術之一。
　　傳感器節點是無線傳感器網絡的基本組成單位。它由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊四個部分組成。由于傳感器節點通常是一個微型的嵌入式系統，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。本文依據傳感器節點的這些特點，設計了一種用于環境中溫濕度監測的以芯片CC2430為核心的無線傳感器網絡節點。
1 CC2430簡介
　　CC2430芯片是Chipcon公司提供的全球首款支持ZigBee協議的SoC解決方案。它延用了CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430擁有1個8位8051MCU，8KB的RAM，32KB、64KB或128KB的Flash，還包含模擬數字轉換器、幾個定時器、AES128協處理器、看門狗定時器、32kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、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，工作時的電流損耗為27mA；在接收和發射模式下，電流損耗分別低于27mA或25mA。CC2430的休眠模式和轉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標準2.4GHz頻段的RF無線電收發機；8KB的SRAM，其中4KB可在所有功耗模式下保持數據；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；上電復位功能；支持硬件調試功能；優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；在待機模式時少于0.6μA的流耗，外部中斷能喚醒系統；硬件支持CSMA/CA功能；較寬的電壓范圍（2.0～3.6V）；數字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能；具有電池監測和溫度感測功能；集成了14位模數轉換的ADC；集成AES安全協處理器；帶有2個強大的、支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE 802.15.4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器。
2 節點的硬件設計
　　無線傳感器網絡的節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。節點的硬件原理框圖如圖1。

　　SHT10用于采集周圍環境中的溫度和濕度，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據通信。SCK數據線負責處理器和SHT10的通訊同步；DATA三態門用于數據的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數據傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩定。為避免信號沖突，微處理器應驅動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。本設計中CC2430的引腳P1.0用于SCK，P1.1用于DATA。

3 節點的軟件設計
　　節點的軟件分為數據采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設計的模塊。以下給出了各個模塊的流程圖和詳細說明。