基于RF芯片的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備設計

1 引言
隨著(zhù)微電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )日漸成為互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具有“無(wú)處不在”和節點(diǎn)數量龐大等特點(diǎn)，適用于軍事、智能家居、環(huán)境監測和預報、醫療護理、建筑物狀態(tài)監控、工業(yè)控制等領(lǐng)域。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備是構成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的基礎，基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元：傳感單元(由傳感器和模數轉換功能模塊組成)、處理單元(由嵌入式系統構成，包括CPU、存儲器等)、通信單元(由無(wú)線(xiàn)通信模塊組成)和電源單元，如圖l所示。此外，可選擇的其他功能單元包括定位系統、移動(dòng)系統及電源自供電系統等。通常，此類(lèi)設備具有微型、低功耗、低成本、可擴展性、高安全性等特點(diǎn)。

2 CC2510的功能及內部結構
2.1 功能
CC2510是Chipcon公司于2005年11月推出的一款2.4 GHz射頻收發(fā)器。該器件成本低，包含UHF RF收發(fā)器和高性能低功耗8051微控制器，集成了32 KB在系統可編程Flash和外設內嵌4 KBSHAM。CC2510功能強大，擁有128位AES安全協(xié)處理器和DMA功能；系統時(shí)鐘是16MHz片內RC振蕩器或26 MHz晶體振蕩器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用低功耗32.768 kHz晶體振蕩器或內部34 kHz RC振蕩器；具有高靈敏度(10 kb/s下為-100 dBm)和較高的接收靈敏度和阻塞功能，支持2-FSK,GFSK和MSK等調制方式；支持數字RSSI/LQI，工作電壓2.0 V~3.6V；具有21個(gè)通用I/O接口、兩個(gè)UART/SPI接口和可編程看門(mén)狗計時(shí)器，片內有1個(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器，真正的隨機號碼發(fā)生器，支持硬件調試，有兩個(gè)數據指針。CC2510采用Chipcon公司的Smart RF 04技術(shù)，以0.18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元件就可以構成性能穩定且功耗極低的片上系統(SoC)。CC2510的選擇性和敏感性指數優(yōu)越，可確保短距離通信的有效性和可靠性。除上述特點(diǎn)外，該器件還包含8路8~14位ADC具備4種靈活的降功耗模式，從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的過(guò)渡時(shí)間非?？?，內嵌溫度傳感器，非常適合作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備。

2.2 CC2510內部結構
CC2510器件的內部結構如圖2所示。其中CC2510的處理器采用兼容8051單片機內核的結構及指令系統。該內核通過(guò)3種不同的內存訪(fǎng)問(wèn)總線(xiàn)(SFR，DATA和CODE/XDATA)對內存進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)控制。SFR總線(xiàn)負責將所有的外設同內存仲裁相連接，還負責CPU與射頻寄存器之間的交互。此外，在系統中還存在有一個(gè)處于核心地位的設備――內存仲裁。內存仲裁通過(guò)SFR總線(xiàn)將CPU、DMA模塊、存儲器以及其他外設連接在一起。內存仲裁通過(guò)4個(gè)存儲器指針選擇接入SRAM、Flash存儲器或者SVR寄存器。系統通過(guò)中斷控制器維護4種不同優(yōu)先級的18個(gè)中斷源，這些中斷源被分成6組，每組關(guān)聯(lián)一種中斷優(yōu)先級。為降低功耗，系統可支持4種工作模式。表1給出了這4種工作模式的特點(diǎn)和狀態(tài)。

CC2510包含有8路8~14位ADC，支持單端輸入和差分輸入兩種模式，能夠采用可選正向參考電壓。ADC中還包含了一個(gè)溫度傳感器通道，可以直接連接片內集成的溫度傳感器。ADC的輸入端口復用通用I/O端口的PO部分作為AIN0-AIN7端口。圖3給出了ADC模塊的框圖。CC2510的ADC轉換結果一般為13位，這些結果通常存放于A(yíng)DC數據寄存器ADCH及ADCL中。ADC轉換結束能夠觸發(fā)自己中斷。即便是由于在A(yíng)DCH與ADCL之間讀取而造成ADC無(wú)法訪(fǎng)問(wèn)數據寄存器，并因此丟失了轉換數據，中斷仍會(huì )被觸發(fā)。

天線(xiàn)接收的射頻信號經(jīng)過(guò)低噪聲放大器和I/Q下變頻處理后，中頻信號只有2 MHz，此混合I/Q信號經(jīng)過(guò)濾波、放大、AD變換、自動(dòng)增益控制、數字解調和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據。發(fā)射機部分基于直接上變頻。CC2510的發(fā)射部分基于RF頻率的直接合成。頻率合成器包括一個(gè)完整的片上LC壓控振蕩器和一個(gè)90的相移器，產(chǎn)生接收模式時(shí)下變頻器所需的I和Q路信號。26 MHz晶體振蕩器產(chǎn)生的頻率作為合成器、AD時(shí)鐘和數字部分時(shí)鐘的參考頻率。系統使用SFR(特殊功能寄存器)寄存器作為接口為來(lái)自CPU的數據進(jìn)行緩沖，寄存器的配置和狀態(tài)可以從寄存器映射存儲器XDATA中查詢(xún)。數字基帶信號支持通道配置，包處理和數據緩沖。片上的電壓校正器產(chǎn)生一個(gè)校正過(guò)的1.8 V供電電壓。

3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備設計
3.1 硬件設置
針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的特點(diǎn)，依據CC2510的內部結構，針對器件內部已嵌入的溫度傳感器，添加其他傳感器件，可以設計基于多傳感器的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備。圖4給出了基于片內溫度傳感器和光敏器件的溫度-光強傳感器的節點(diǎn)設備電路圖。其中Pa為光敏電阻，C21為去耦電容。器件本振信號可由外部有源晶體提供，也可由內部電路提供。由內部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和負載電容，電容的取值決定于晶體的頻率及輸入容抗等參數。該設備可采用3.0V電池供電。

射頻輸入/輸出匹配電路主要用來(lái)匹配器件的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50 Ω。發(fā)射部分經(jīng)過(guò)前端π型匹配網(wǎng)絡(luò )向50 Ω垂直天線(xiàn)饋電，如果不希望采用上述匹配網(wǎng)絡(luò )，可以采用T型PCB天線(xiàn)直接與器件相連。
3.2 軟件設置
軟件設置主要包括三個(gè)方面：主機調度函數、數據采集與處理方式、射頻數據收發(fā)處理函數。對于應用多傳感器的傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備，主機調度函數可以采用有競爭的中斷方式進(jìn)行全局調度。數據采集與處理方式依據硬件自身特點(diǎn)實(shí)現。下面通過(guò)描述性語(yǔ)言給出主機調度函數的實(shí)現思想：

CC2510內置一個(gè)可以在不同操作狀態(tài)(模式)之間轉換的狀態(tài)機。應用該狀態(tài)機，可以通過(guò)使用寫(xiě)入指令來(lái)實(shí)現狀態(tài)之間的轉換。圖5給出了射頻控制的狀態(tài)轉換圖。這里借用MARCSTATE狀態(tài)寄存器中讀出的狀態(tài)字作為各個(gè)狀態(tài)的標識。

在節點(diǎn)工作過(guò)程中，設定兩個(gè)激活狀態(tài)：接收(RX)和發(fā)送(TX)，通過(guò)CPU向RFST寄存器中寫(xiě)入SRX和STX指令來(lái)實(shí)現狀態(tài)的遷移。當RX被激活時(shí)，器件將處于接收狀態(tài)，直至RX終止定時(shí)器超時(shí)或者成功地收到一個(gè)包。如果射頻控制器當前位于發(fā)送狀態(tài)，并且SRX寫(xiě)入，當前的發(fā)送狀態(tài)被中止，開(kāi)始向RX過(guò)渡。如果射頻控制器當前位于RX狀態(tài)，當STX或者SFSTX0N命令發(fā)布時(shí)，如果是暢通的信道就進(jìn)入TX狀態(tài)。如果信道不暢通，器件仍將處于RX狀態(tài)。在任何時(shí)候，SIDLF命令總是能夠迫使射頻控制器進(jìn)入空閑狀態(tài)。
注意：由于使用了PQT、CS、最大同步字長(cháng)和同步字評價(jià)模式，可以有效減少探測到錯誤同步字的可能性。在成功地接收到數據包以后，射頻控制器將根據系統設置進(jìn)入如下?tīng)顟B(tài)：
IDLE：空閑；
FSTXON：在TX頻率時(shí)，頻率合成器打開(kāi)并且已經(jīng)準備好。用STX激活TX；
TX：開(kāi)始發(fā)送開(kāi)端；
RX：開(kāi)始搜尋一個(gè)新的包。
類(lèi)似地，當TX被激活時(shí)，器件一直處于TX狀態(tài)，直到當前的包被成功地發(fā)送出。然后狀態(tài)會(huì )根據MCSMl.TXOFF_MODE設置提示的狀態(tài)改變。有關(guān)狀態(tài)轉換條件需要根據實(shí)際應用場(chǎng)合人為地選擇設定，在此不再贅述。

4 配置傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間的通信
根據CC2510的特點(diǎn)，可以人為設定MAC層協(xié)議以完成節點(diǎn)間通信，從而構成星型或者網(wǎng)型(MESH)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。本文設計了一種基于載波偵聽(tīng)、沖突避免機制的可變包長(cháng)的MAC層協(xié)議――MAC_S，采用8 bit地址標識各個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，該協(xié)議支持基于RSSI的LQI鏈路質(zhì)量描述、物理層采用曼徹斯特碼編碼的2-FSK調制方式。在這里，可以利用CC2510中通過(guò)軟件設定讓信號通過(guò)一個(gè)高斯濾波器，從而產(chǎn)生一個(gè)GFSK調制信號。限于篇幅有關(guān)這一MAC層協(xié)議的細節將另撰文論述，這里僅簡(jiǎn)單介紹包格式及其處理過(guò)程。圖6給出了上述MAC_S協(xié)議的包格式。

其中，4字節引導字用于標識報文開(kāi)端，同步字用于提取同步信息，包長(cháng)度通常包括自身在內的后續地址和載荷報文長(cháng)度，校驗域通過(guò)CRC-16算法進(jìn)行校驗。在發(fā)送模式下，包處理器過(guò)程如下：發(fā)送的數據幀被送入RAM中的緩存區進(jìn)行相應的幀打包操作，取發(fā)送凈荷依據轉發(fā)表填入地址并計算包長(cháng)度，將一定數量的可編程的開(kāi)端字節，MAC_S協(xié)議用4個(gè)開(kāi)端字節，然后添加兩字節的同步字，在數字據中計算和加入CRC校驗和并發(fā)送出去。在接收模式時(shí)，包處理支持將會(huì )分解數據包：首先進(jìn)行開(kāi)端檢測、提取RSSI信息，然后進(jìn)行同步字檢測，接著(zhù)檢測地址、進(jìn)行地址長(cháng)度匹配并計算和檢查CRC。最后將數據凈荷提交上層進(jìn)行處理，從而完成一次發(fā)送和接收交互。

5 結束語(yǔ)
CC2510是一款高集成度的工業(yè)用射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層可以適用于多種協(xié)議標準，工作于2.4 GHz工業(yè)、科研和醫療頻段。通過(guò)添加簡(jiǎn)單的外設，可構成功能強大的傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設備。Chipcon公司在推出芯片的同時(shí)，還提供該器件的系列評估軟件-Smart RFStusio。通過(guò)該軟件設置可以對器件進(jìn)行性能和功能測試，方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。