基于A(yíng)tmel的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的研究與實(shí)現

　　CC2420有33個(gè)16位配置寄存器、15個(gè)命令選通寄存器、1個(gè)128字節的發(fā)送FIFO緩存區、1 個(gè)128字節的接收FIFO緩存區、1個(gè)112字節的安全信息存儲器。CC2420與處理器的連接比較簡(jiǎn)便，它使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 四個(gè)引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài)；處理器通過(guò)SPI接口(CSn、SO、SI、SCLK)與CC2420交換數據、發(fā)送命令，使用RESETn引腳復位芯片，使用VREG_EN引腳使能CC2420的電壓調整器，使其產(chǎn)生CC2420所需要1.8V電壓，從而使CC2420進(jìn)入正常工作的狀態(tài)；CC2420通過(guò)單極天線(xiàn)或PCB天線(xiàn)進(jìn)行通信。其模塊示意圖如圖4所示。

　　CC2420 需要16MHz的參考時(shí)鐘用于數據的收發(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。如果使用外部時(shí)鐘，直接從XOSC16_Q1引腳輸入，XOSC16_Q2腳懸空；如果使用內部晶體振蕩器，晶振接在XOSC16_Q1、XOSC16_Q2引腳之間。晶振起振需對CC2420選通命令寄存器SXOSCON使能。

　　電源管理模塊

　　電能是傳感器網(wǎng)絡(luò )非常寶貴的資源，為了保證硬件電路的低功耗設計，節點(diǎn)芯片的選擇均使用低功耗、低電壓工作的芯片。系統采用普通電池或可充電鋰離子電池工作，電源管理芯片采用AD公司的ADP3338-3.3，SOT-223封裝。

　　充電及狀態(tài)顯示模塊

　　在有條件對節點(diǎn)進(jìn)行充電時(shí)，節點(diǎn)使用鋰離子電池工作，可利用充電模塊為節點(diǎn)進(jìn)行電能補充，從而確保節點(diǎn)工作的連續性，避免了節點(diǎn)因更換電池造成的工作中斷。充電模塊使用達拉斯公司的DS2770和電池保護芯片DS2720設計，具有充電控制、電源控制、電量計數、電池保護等功能。處理器與DS2770用一線(xiàn)接口來(lái)傳遞信息，并需外接一個(gè)約4.7k!的上拉電阻。充電模塊示意圖如圖5。LCD顯示模塊采用LCM6432ZK液晶顯示器，通過(guò)串行接口和主 MCU連接，用于系統工作狀態(tài)信息、充電進(jìn)程、電池電量等狀態(tài)的顯示。節點(diǎn)硬件留有LCD接口，在需要顯示時(shí)可方便接插LCD顯示模塊。

　　傳感器模塊

　　節點(diǎn)傳感器模塊與計算和通信子板分離，模塊化的設計提高了節點(diǎn)在不同應用中的靈活性。傳感器模塊可根據實(shí)際需要確定合適的傳感器，如溫度、濕度、振動(dòng)、光強、氣體報警、磁阻、紅外等，以滿(mǎn)足不同的需要。由于節點(diǎn)多為電池供電，要求傳感器體積小、功耗低、外圍電路簡(jiǎn)單，最好采用不需要復雜信號調理電路的數字傳感器。

　　本設計選用的部分傳感器為：

　　溫度傳感器DS18B20是一種新型數字溫度傳感器，外部電路非常簡(jiǎn)單，使用一線(xiàn)總線(xiàn)接口。其測量范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃之間的測量精度為±0.5℃，分辨率最大可以設計為12位，測量數據準確可靠。

　　紅外傳感器PD632是一種數字熱釋電傳感器，工作波長(cháng)：7.5ηm～14ηm，在-20℃～60℃工作環(huán)境下探測距離可達6m～15m。

　　加速度傳感器ADXL202是AD公司的兩維數字加速度傳感器，工作溫度：-40℃～85℃，采用先進(jìn)的MEMS技術(shù)，可以測量震動(dòng)加速度和靜態(tài)加速度。

　　外部接口

　　節點(diǎn)外部接口包括JTAGE接口、ISP編程接口、RS232接口、充電接口、傳感器接口、SMA天線(xiàn)座接口等。節點(diǎn)使用JTAGE、ISP多種方法下載程序；使用RS232接口直接與PC機串口連接；可根據不同需求經(jīng)傳感器接口掛接不同的傳感器模塊；在有充電條件的情況下，可通過(guò)充電接口迅速為節點(diǎn)補充能量。圖6是RS232 接口示意圖, 圖7 是JTAG/ISP 接口示意圖。

　　節點(diǎn)設計的要點(diǎn)及應注意的事項

　　射頻部分是本設計的重點(diǎn)與難點(diǎn)，也是系統設計成功的關(guān)鍵。在模塊設計過(guò)程中遇到的主要問(wèn)題及解決方法有：

　　CC2420的載波頻率是2.4GHz，每5MHz增加一個(gè)頻道，而晶振的精確度將影響載波的頻率，從而影響通信的建立和穩定性。CC2420要求時(shí)鐘源的精度在±40ppm以?xún)?。如果使用外部晶振應盡量使用精度高、性能穩定的四腳貼片晶振。

　　CC2420 射頻電路工作在2.400GHz～2.4835GHz高頻率工作頻段，抗干擾設計直接關(guān)系到射頻性能和整個(gè)傳感器節點(diǎn)的運轉情況。在射頻部分布線(xiàn)時(shí)，合理的布局與布線(xiàn)及采用多層板既是布線(xiàn)所必須的也是降低電磁干擾提高抗干擾能力的有效手段。布線(xiàn)時(shí)特別要注意以下幾點(diǎn)：一是射頻電路沒(méi)有用做布線(xiàn)的面積均需用銅填充并連接到地，以提供RF屏蔽達到有效抗干擾的目的；二是CC2420芯片底部應接地；為了降低延遲、減少串擾，確保高頻信號的傳輸，要使用多個(gè)接地過(guò)孔將CC2420芯片底部和地層相連；三是盡可能地減少串擾，減少分布參數的影響 ，器件要緊密地分布在CC2420的四周，并使用較小封裝。

　　對于無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)起著(zhù)舉足輕重的作用。天線(xiàn)的選擇和設置會(huì )直接影響整個(gè)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的運行質(zhì)量。本節點(diǎn)射頻芯片CC2420可以使用金屬倒F型 PCB引線(xiàn)天線(xiàn)和單極天線(xiàn)兩種設計方案。PCB引線(xiàn)天線(xiàn)是印制在電路板上的導線(xiàn)，通過(guò)它來(lái)感應空中電波，接收信息。PCB天線(xiàn)的形狀、尺寸應嚴格按照數據手冊設計。近幾年，隨著(zhù)計算機成本的下降和微處理器體積的縮小，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )越來(lái)越受到人們重視。本設計是筆者在歸納國內外無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )研究成果的基礎上，設計的低功耗、低成本、實(shí)用型無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。節點(diǎn)采用了獨立可選的充電模塊、LCD狀態(tài)顯示模塊和豐富的對外接口，具有較強的實(shí)用性，可在多種環(huán)境中工作，按多種需要進(jìn)行配置完成系統功能，并且在成本、功耗、靈活性等方面具有較明顯的優(yōu)勢。