無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的設計與實(shí)現

摘要 設計了一種具有質(zhì)量輕、體積小、低成本、低能耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。該節點(diǎn)由MSP430單片機、CC2420射頻收發(fā)器、FT232BM轉換芯片、SHT11溫度濕度傳感器、外圍芯片、電源電路以及JTAG調試接口組成。通過(guò)JTAG調試，以及安裝TinyOS操作系統，節點(diǎn)較好地實(shí)現了數據采集、無(wú)線(xiàn)傳輸以及無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )功能。
關(guān)鍵詞 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )；無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)；MSP430；CC2420；SHT11，TinyOS

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現的一種聚合傳感器、嵌入式、現代網(wǎng)絡(luò )以及無(wú)線(xiàn)通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò )能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監測和預報、健康護理、智能家居、建筑物狀態(tài)監控、復雜機械控制、城市交通、空間探索、大型車(chē)間和倉庫管理，以及機場(chǎng)、大型工業(yè)園區的安全監測等領(lǐng)域。文中設計了一種無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)，硬件設計基于Moteiv方案，采用超低功耗單片機MSP430F1611作為數據處理芯片，以CC2420無(wú)線(xiàn)射頻芯片作為收發(fā)芯片，并擁有JTAG以及其他擴展接口。通過(guò)硬件測試以及軟件調試該節點(diǎn)符合設計指標。

1 系統概述
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由大量無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)組成，每個(gè)節點(diǎn)由傳感器采集數據，數據處理芯片負責接收和處理傳感器采集到的數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻芯片進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)傳輸與接收以及無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)功能。USB接口可以作為電源以及編程接口，一線(xiàn)硅序列號可作為節點(diǎn)的唯一標識，Fla sh芯片用于存儲數據，JTAG口用于調試與編程。

2 硬件設計
節點(diǎn)主要由6部分組成：電源單元、無(wú)線(xiàn)射頻模塊、傳感器模塊、USB通信模塊和微處理器。
2．1 電源單元
傳感器節點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池。能量供應模塊在無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)中至關(guān)重要，為傳感器節點(diǎn)各部分提供能量。需要長(cháng)時(shí)間數據采集的傳感器有的需要太陽(yáng)能等方式來(lái)維持節點(diǎn)的正常運轉。節點(diǎn)的各部分也需要精心設計。節點(diǎn)微處理器的工作電壓為1．8～3．6 V，無(wú)線(xiàn)射頻芯片工作電壓為2．1～3．6 V，Flash供電電壓為2．7～3．6 V，USB轉換芯片由USB供電。因此電源可以選用3 V紐扣電池供電，有效減少了節點(diǎn)的大小。另外USB也可以作為供電源，同時(shí)作為編程電源，電源單元如圖2所示。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果，同時(shí)又不會(huì )降低直流輸出電壓。低壓差的穩壓器ADP3339保證了電源較好的穩壓性。

2．2 無(wú)線(xiàn)射頻模塊
節點(diǎn)中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)機，采用Chipcon公司推出的一款兼容2．4GHz IEEE 802．15．4的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片CC2420。它基于Chipeon公司的Smart RF03技術(shù)，使用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，具有較高的集成度。該芯片體積小、功耗低，具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線(xiàn)、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2．4GHz頻段上工作。CC2420采用O—QPSK調制方式；超低電流消耗，接收靈敏度可達到-94dBm，抗鄰道干擾能力強，其選擇性和敏感性指數超過(guò)了IEEE 802．15．4標準的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信設備支持數據傳輸速率高達250 kbit·s-1，可實(shí)現多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

圖3中無(wú)線(xiàn)射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應用電路的器件數值，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài)。另外為達到最優(yōu)性能，必須使用電源去耦，去耦電容和電源過(guò)濾的設置和大小對于在應用中獲得最優(yōu)性能起著(zhù)關(guān)鍵作用，TI提供一個(gè)緊湊的參考設計，必須嚴格按照該設計進(jìn)行。同時(shí)增加數字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個(gè)16 MHz的參考時(shí)鐘用于傳輸速率為250 kbit·s-1的數據收發(fā)，參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源，也可以由內部晶體振蕩器產(chǎn)生，這里采用內部晶體振蕩器產(chǎn)生的方式。天線(xiàn)阻抗匹配至關(guān)重要，為獲得較好的發(fā)射功率，在原有基礎上對部分電容、電感進(jìn)行了適當的調整。CC2420與微控制器的通信通過(guò)4線(xiàn)SPI總線(xiàn)實(shí)現(SI、SO、SCLK、CSn)，通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估，SFD用于控制時(shí)鐘或定時(shí)信息的輸入。