基于CC430F5137的低功耗無(wú)線(xiàn)數據采集節點(diǎn)設計

摘要：隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據采集節點(diǎn)的低功耗要求也不斷提高。針對這一要求，利用內部集成了射頻模塊的CC430F51 37設計并實(shí)現了一種低功耗無(wú)線(xiàn)數據采集節點(diǎn)。利用無(wú)線(xiàn)模塊喚醒功能降低了系統功耗，同時(shí)根據載波監聽(tīng)功能改進(jìn)了射頻發(fā)送函數，提高了抗干擾能力。實(shí)驗結果表明，該設計的低功耗和抗干擾方法是可行的。

引言

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。

1 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。

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2 節點(diǎn)硬件設計

2.1 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。

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2.2 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。

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3 節點(diǎn)軟件設計

3.1 程序主流程

在節點(diǎn)系統軟件的設計過(guò)程中，對幾個(gè)重要寄存器進(jìn)行配置，主要進(jìn)行配置的寄存器有載波頻率寄存器、數據速率寄存器、載波監聽(tīng)設置絕對閾值寄存器、射頻發(fā)送和接收的數據包長(cháng)度寄存器和地址檢測開(kāi)啟寄存器。其他的寄存器配置可以參照TI公司提供的SmartRF Studio

軟件，它是專(zhuān)門(mén)用于配置射頻通信相關(guān)的寄存器，本設計中采用SmartRF Studio 7對CC430F5137的寄存器進(jìn)行配置。配置射頻發(fā)送的載波頻率為433 MHz，通信的數據速率為2.4 kbps，并且使能地址檢測功能，每一個(gè)節點(diǎn)部有唯一的地址。當節點(diǎn)接收到的數據包中沒(méi)有和自身地址相匹配的內容，則節點(diǎn)設備就不會(huì )接收該數據包，不對其作處理。只有發(fā)送來(lái)的數據包與節點(diǎn)地址相對應時(shí)，節點(diǎn)才能接收并處理數據，這就有效地防止了中繼器節點(diǎn)向不同的節點(diǎn)發(fā)送數據時(shí)會(huì )被多個(gè)節點(diǎn)收，可以有效地傳送數據。圖4為整個(gè)程序的主流程圖。

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當系統一上電，則會(huì )做相應的初始化操作，比如串口、I2C總線(xiàn)，并對射頻模塊的各個(gè)寄存器進(jìn)行配置，初始化功率放大表等。

系統初始化完畢后，系統會(huì )向中繼器節點(diǎn)主動(dòng)發(fā)起連接請求，把自己的節點(diǎn)地址告訴中繼器節點(diǎn)，為以后的中繼器節點(diǎn)和終端節點(diǎn)之間的數據傳送做準備。發(fā)送完請求連接后，節點(diǎn)會(huì )等待中繼器節點(diǎn)的應答，如果沒(méi)有應答，節點(diǎn)會(huì )繼續請求連接，直到收到應答后再進(jìn)行下一步的處理。

3.2 無(wú)線(xiàn)喚醒功能

為了更好地降低系統能量消耗，采用CC1101的無(wú)線(xiàn)模塊喚醒功能(WOR)，當系統請求連接成功后，就會(huì )進(jìn)入無(wú)線(xiàn)喚醒模式，此時(shí)系統處于睡眠狀態(tài)。在此模式下功耗極低，可達到2.0μA。射頻內核可以通過(guò)軟件編程設置每隔一段時(shí)間喚醒，醒來(lái)后系統處于射頻接收狀態(tài)，如果這時(shí)檢測到有數據包發(fā)送過(guò)來(lái)，那么系統就會(huì )退出無(wú)線(xiàn)喚醒狀態(tài)，轉入正常的狀態(tài)去處理接收到的數據包。如果沒(méi)有檢測到數據包，系統則會(huì )繼續睡眠然后再重復地醒來(lái)檢測，這樣就保證了在不需要數據傳送的情況下，最大限度地節約能量消耗。圖5為系統處于無(wú)線(xiàn)喚醒狀態(tài)的程序流程圖。