2023年02月08日 | 基于射频芯片和单片机实现无线传感器网络节点的应用方案

传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。本文依据传感器节点功耗低、成本低、体积小等硬件限制条件，设计了一种基于射频芯片CC2420和单片机MSP430的无线传感器网络的硬件节点。

硬件节点设计

在进行无线传感节点设计时，应考虑其具有的如下特点：微型化， 应用中的传感器节点要高度集成，保证不会对目标系统的特性造成影响，受外形尺寸限制，模块必须能够集成更多部件；低功耗，网络往往部署在无人值守的地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，因此，如何节省电能是应用的首要问题；运行速度，网络对节点的实时性要求很高，要求处理器的实时处理能力要强；扩展接口，多功能的传感器产品是发展的趋势，而在前期设计中，不可能把所有的功能包括进来，这就要求系统有很强的可扩展性；可靠性， 传感器网络可以分布在很广的地域，因此，维护十分困难，传感器网络的软、硬件必须具有高鲁棒性和容错性；尽可能低的成本。

综合以上考虑，本文设计的传感器节点框图如图1所示。

传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源等模块组成，本方案采用了以MSP430为核心的控制模块。MSP430在低功耗方面表现出色，并且在恶劣条件下工作性能稳定。以CC2420为无线收发模块，MSP430与CC2420通过SPI方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用从模式。节点的传感器模块与主板分离，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。由于本节点为电池供电，要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单，最好采用不需要复杂信号调理电路的数字传感器。

主要芯片介绍

CC2420

CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的无线收发芯片。该芯片体积小、功耗低，非常适合于家庭及楼宇自动化、工业监控等应用系统。

CC2420具有完全集成的压控振荡器，只需要天线、16MHz晶振等非常少的外围电路就能在2.4GHz频段工作。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器连接，通过这个接口完成设置和收发数据工作。许多单片机都集成了SPI控制器，例如MSP430，可以非常方便地与CC2420配合使用。简单的外围电路和处理器接口，使得CC2420可以应用在非常廉价的设备上。

MSP430

MSP430是具有超低功耗特点的16位单片机，本方案选用MSP430F149，其功耗电流已经达到了mA级。它是功能强大的CPU内核：16位CPU和高效的RISC指令系统，无外扩的数据地址总线，在8MHz时可达到125ns的指令周期，具有16个快速响应中断，能及时处理各种紧急事件。丰富的片内外围功能模块：12位的A/D转换器ADC12内包括采样/保持功能的ADC内核、转换存储逻辑、内部参考电平发生器、多种时钟源、采样及转换时序电路。有8个外通道，4个内通道，高达200kbps的采样速率，多种采样方式。两路USART通信串口，可用于UART和SPI模式;片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器，6个并行口Pl～P6， 48条I/O口线，其具有64KＢ的闪存，用于存储采集数据。

CC2420与MSP430的

硬件接口电路

CC2420与处理器的连接非常方便。它使用SFD、 FIFO、 FIFOP、和CCA 4个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令等。

CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启动了地址辨识，在地址辩识失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO的缓存区状态。如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平;如果接收FIFO缓存区为空，FIFO引脚输出低电平。当FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临界值时，或者在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平。临界值可以通过CC2420的寄存器设置。

CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。在CC2420进入接收状态至少8个符号（symbol）周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。

SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入／输出操作。SPI接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐。CC2420与MSP430是通过SPI连接的，其中，MSP430处于主模式，CC2420处于从模式。MSP430还有4个I/O与CC2420相连，主要起查询CC2420状态的作用。CC2420与MSP430的接口电路如图2所示。

节点设计的要点及注意事项

在设计节点时，重点是射频部分， CC2420要求时钟源的精度在±40ppm以内。本文采用高精度、性能稳定的四脚贴片晶振，来避免晶振的漂移。

进行电路板设计时，要采取抗干扰措施：射频电路没有用做布线的面积均需用铜填充并连接到地，以提供RF屏蔽，达到有效抗干扰的目的；CC2420芯片底部应接地；为了降低延迟、减少串扰，确保高频信号的传输，要使用多个接地过孔将CC 2420芯片底部和地层相连； 器件要紧密地分布在CC2420的四周，并使用较小的封装。

另一个要考虑的是天线。天线在无线通信中起着举足轻重的作用，天线的选择和设置会直接影响整个无线通信网络的运行质量。本节点射频芯片CC2420可以使用金属倒F型PCB引线天线和单极天线两种设计方案。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它来感应空中电波、接收信息。PCB天线的形状、尺寸应严格按照数据手册设计。

软件设计

软件开发以IAR Workbench V2.10为平台，采用C语言编写，软件编程的基本思路是：先对SPI、CC2420控制端口初始化；使能SPI、UART端口，使能ADC，对CC2420芯片初始化;开启接收机后，就可以运行任务程序了，以实现接收或发送数据。