低功耗射頻無(wú)線(xiàn)數據采集節點(diǎn)電路

　　隨著(zhù)集成電路、無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )也應運而生，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。傳統的無(wú)線(xiàn)射頻通信模塊體積大，需要控制芯片來(lái)控制射頻模塊，這就增加了設計的成本，而且可移動(dòng)性不好。

　　半導體技術(shù)的不斷進(jìn)步使處理器芯片可以被集成為體積很小的一塊，而價(jià)格變得更便宜，專(zhuān)用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )芯片和技術(shù)也得到發(fā)展。文中采用了TI公司的CC430F5137設計并實(shí)現了一種應用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的節點(diǎn)模塊。CC430F5137是一款內部集成了射頻核的芯片，它內置了CC1101射頻核，使用單顆芯片就可以完成數據的采集、處理、發(fā)送與接收，使電路板的體積可以變得更小、更便宜。為了實(shí)現網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的低功耗設計，本文采用了射頻模塊的無(wú)線(xiàn)喚醒（WOR）功能。同時(shí)，利用射頻核的空閑信道評估（CCA）功能改進(jìn)了射頻發(fā)送的算法，提高了多節點(diǎn)向中繼器模塊發(fā)送數據時(shí)的準確性。

　　總體設計方案

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是由部署在監測區域內大量的廉價(jià)微型傳感器節點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò )。它是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，以協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò )覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )所有者。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )主要實(shí)現了數據的采集、處理和傳輸三種功能。

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般受到工作環(huán)境的影響，功耗問(wèn)題是要首先考慮的?？紤]到低功耗要求的設計，節點(diǎn)設備的主控MCU選擇 CC430F5137，利用它內置的射頻通信模塊進(jìn)行射頻通信。由于其低功耗的特點(diǎn)可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無(wú)線(xiàn)喚醒功能，能史好地降低系統功耗。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中可以?huà)旖佣鄠€(gè)節點(diǎn)設備，而每個(gè)節點(diǎn)設備的地址必須唯一。本文設計的節點(diǎn)設備采用撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設置每個(gè)節點(diǎn)設備的地址，確保每個(gè)節點(diǎn)都有一個(gè)唯一的地址。通過(guò)SPI接口或I2C總線(xiàn)接入傳感器器件，可以靈活地接入不同型號的傳感器器件，以達到測試不同物理量的要求。節點(diǎn)的系統結構如圖1所示。

　　節點(diǎn)硬件設計

　　節點(diǎn)電路總體設計

　　CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6 V，選程度用兩節7號電池來(lái)提供3 V的直流電壓。配合軟件的設置可以最大程度地降低功耗。系統的關(guān)鍵部分是射頻發(fā)送利用一個(gè)射頻的天線(xiàn)模塊，可以保證射頻通信的穩定性，此無(wú)線(xiàn)模塊由芯片的 RF_N和RF_P兩個(gè)引腳接入。另外根據射頻發(fā)送的需要，接入一個(gè)26 MHz晶振。

　　CC430F5137的P1.5、P1.6、P1.7引腳可以用于串口通信和SPI通信，使用這三個(gè)引腳作為串口調試，另外P1.1、P1.2、P1.3引腳可以用于SPI和I2C總線(xiàn)通信，這三個(gè)接口用來(lái)預留連接傳感器的芯片。系統的主電路圖如圖2所示。

　　地址設定電路

　　為了使每個(gè)節點(diǎn)的地址唯一，采用8位的撥碼開(kāi)關(guān)SW進(jìn)行地址設定。如圖3所示，可以由撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設定終端節點(diǎn)的地址，可以設定255個(gè)不同的地址，每一個(gè)終端節點(diǎn)作為從設備向中繼節點(diǎn)發(fā)送數據，然后由中繼節點(diǎn)發(fā)送到用于網(wǎng)絡(luò )管理的主控MCU，完成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )數據的傳送。

　　本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術(shù)設計的無(wú)線(xiàn)數據采集節點(diǎn)，這種設計可以大大地減小系統的體積。本系統可以采集各種各樣的信號，能將采集到的數據安全穩定地傳送到中間數據采集點(diǎn)。設計中載波監聽(tīng)功能和信道空閑評估功能改進(jìn)的射頻發(fā)送函數，可以有效地提高多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數據時(shí)的抗干擾性。