基于CC1110的無線傳感器網絡節點設計

2節點硬件設計

CC1110芯片只要極少數外圍元件就能夠搭建穩定可靠且功耗低的SoC，大大簡化了RF電路的設計過程。設計的傳感器節點工作在433 MHz頻段。圖2是CC1110的參考設計，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，為芯片內部的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部分電路設計參考圖2的典型設計，但對電路進行了少量修改，加入PA。根據實際應用環境需要，節點可以工作在有PA、無PA兩種狀態，比如Coordi-nator、Range Extender兩節點可以工作在加PA的方式下(一般采用市電供電)，實現遠距離傳輸。設計的傳感器節點實物圖如圖3所示。

節點的傳感器模塊采用瑞士SENSIRION公司的基于Sensirion技術的全校準數字式溫濕度傳感器SHT71。在一個芯片上，集成了溫濕度傳感器、信號放大調整器、A／D轉換器和總線接口，可以提供-40℃～120℃范圍內分辨率為14 bit的溫度測量以及0～100％范圍內分辨率為12 bit的濕度測量。SHT71采用串行接口與CC1110相連，它的串行時鐘輸入線SCK和串行數據線DATA直接與CC1110的GPIO口線相連，電路連接示意圖如圖4所示。

3節點軟件設計

節點的軟件設計主要包括溫濕度采集部分和無線數據通信部分。

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線收發通信協議命令和數據。其控制流如下：CC1110發送一組“啟動傳輸”時序進行數據傳輸初始化，然后發送一組測量命令，釋放DATA線，等待SHT71下拉DATA線至低電平，表示測量結束，同時接收數據。CC1110收到測量值后，可根據如下公式計算出溫度T和相對濕度H：

式中：系數d1、d2、c1、c2和c3可以查閱相關手冊。

3.2無線數據通信

下面以節點間點對點通信為例，介紹無線傳感器節點間通信實現方法及通信過程。CC1110的MAC幀結構簡單，剔除物理層的前導碼和同步字，只包含一個可選的長度字節n、一個可選的地址字節，用戶數據和兩個可選的CRC字節，如圖5所示。

為了方便通信過程中的數據處理，軟件上定義了如下數據收發處理結構：

其中，標志位flags占1個字節，用于表示當前數據幀的類型。flags字節中的flags字節的第0位為1時，表示目標節點在收到該數據幀后不要ACK；第1位為1時，表示目標節點在收到該數據幀后要ACK；第2位為1時表示該幀是ACK幀；第3位為1時，表示該幀是超時重傳幀；最高位為1時，表示該幀是數據序列中的一幀。

接著闡述傳感器節點的通信射頻設置。節點工作時使用的晶振頻率為26 MHz，RF初始化時，設置寄存器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位域來設置通信信道；設置寄存器MDMCFG0的CHANSPC_M位域及寄存器MDMCFG1的CHANSPC_E位域來設置信道間隔。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。當然，可以通過TI公司的軟件SmartRF Studio來計算這些寄存器設置值。