基于RF芯片CC2510的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)

隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)日漸成為互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有“無處不在”和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大等特點(diǎn)，適用于軍事、智能家居、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、醫(yī)療護(hù)理、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)控制領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，基本組成和功能包括如下幾個(gè)單元[1]：傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成、包括CPU、存儲(chǔ)器等）、通信單元（由無線通信模塊組成）和電源單元，如圖1所示，此外，可選擇的其他功能單元包括定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)及電源自供電系統(tǒng)等，通常，此類設(shè)備具有微型、低功耗、低成本、可擴(kuò)展性、高安全性等特點(diǎn)。

　　2 CC2510的功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　2.1 功能

　　CC2510是Chipco

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n公司于2005年11月推出的一款2.4GHz射頻收發(fā)器，該器件成本低，包含UHF RF收發(fā)器和高性能低功耗8051微控制器，集成了32KB在系統(tǒng)可編程Flash和外設(shè)內(nèi)嵌4KB SRAM，CC2510功能強(qiáng)大，擁有128位AES安全協(xié)處理器和DMA功能；系統(tǒng)時(shí)鐘是16MHz片內(nèi)RC振蕩器或26MHz晶體振蕩器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用低功耗32.768KHz晶體振蕩器或內(nèi)部34KHz RC振蕩器，具有高靈敏度（10kb/s下為-100dBm）和較高的接收靈敏度和阻塞功能，支持2-FSK，GFSK和MSK等調(diào)制方式；支持?jǐn)?shù)字RSSI/LQI，工作電壓2.0V-3.6V；具有21個(gè)通用I/O接口、兩個(gè)UART/SPI接口和可編程看門狗計(jì)時(shí)器，片內(nèi)有1個(gè)16位定時(shí)器和3個(gè)8位定時(shí)器，真正的隨機(jī)號(hào)碼發(fā)生器，支持硬件是，有兩個(gè)數(shù)據(jù)指針。CC2510采用Chipcon公司的Smart RF 04技術(shù)，以0.18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元件就可以構(gòu)成性能穩(wěn)定且功能極低的片上系統(tǒng)（SoC）。CC2510的選擇性和敏感性指數(shù)優(yōu)越，可確保短距離通信的有效性和可靠性，除上述特點(diǎn)外，該器件還包含8路8-14位ADC，具備4種靈活的降功耗模式，從休眠狀態(tài)到工作狀態(tài)的過渡時(shí)間非?？欤瑑?nèi)嵌溫度傳感器，非常適合作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。

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　　2.2 CC2510內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　CC2510器件的部結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中CC2510的處理器采用兼容8051單片機(jī)內(nèi)核的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)，該內(nèi)核通過3種不同的內(nèi)存訪問總線（SFR，DATA和CODE/XDATA）對(duì)內(nèi)存進(jìn)行訪問控制，SFR總線負(fù)責(zé)將所有的外設(shè)同內(nèi)存仲裁相連接，還負(fù)責(zé)CPU與射頻寄存器之間的交互，此外，在系統(tǒng)中還存在有一個(gè)處于核心地位的設(shè)備——內(nèi)存仲裁。內(nèi)存仲裁通過SFR總線將CPU、DMA模塊、存儲(chǔ)器以及其他外設(shè)連接在一起。內(nèi)存仲裁通過4個(gè)內(nèi)存器指針選擇接入SRAM、Flash存儲(chǔ)器或者SFR寄存器。系統(tǒng)通過中斷控制器維護(hù)4種不同優(yōu)先級(jí)的18個(gè)中斷源，這些中斷源被分成6組，每組關(guān)聯(lián)一種中斷優(yōu)先級(jí)。為降低功耗，系統(tǒng)可支持4種工作模式，表1給出了這4種工作模式的特點(diǎn)和狀態(tài)。

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　　CC2510包含有8路8-14位ADC，支持單端輸入和差分輸入兩種模式，能夠采用可選正向參考電壓，ADC中還包含了一個(gè)溫度傳感器通道，可以直接連接片內(nèi)集成的溫度傳感器，ADC的輸入端口復(fù)用通用I/O端口的P0部分作為AIN0-AIN7端口，圖3給出了ADC模塊的框圖，CC2510的ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果一般為13位，這些結(jié)果通常存儲(chǔ)于ADC數(shù)據(jù)寄存器ADCH及ADCL中，ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束能夠觸發(fā)自己中斷，即便是由于在ADCH與ADCL之間讀取而造成ADC無法訪問數(shù)據(jù)寄存器，并因此丟失了轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，中斷仍會(huì)被觸發(fā)。

天線接收的射頻信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大器和I/O下變頻處理后，中頻信號(hào)只有2MHz，此混合I/O信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、AD變換，自動(dòng)增益控制、數(shù)字調(diào)節(jié)和解擴(kuò)，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)，發(fā)射機(jī)部分基于直接上變頻，CC2510的發(fā)射部分基于RF頻率的直接合成。頻率合成器包括一個(gè)完整的片上LC壓控振蕩器和一個(gè)90°得相移器，產(chǎn)生接收模式時(shí)下變頻器作為合成器、AD時(shí)鐘和數(shù)字部分時(shí)鐘的參考頻率，系統(tǒng)使用SFR（特殊功能寄存器）寄存器作為接口為來自CPU的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，寄存器的配置和狀態(tài)可以從寄存器映射存儲(chǔ)器XDATA中查詢。數(shù)字基帶信號(hào)支持通道配置，包處理和數(shù)據(jù)緩沖，片上的電壓校正器產(chǎn)生一個(gè)校正過的1.8V供電電壓。

　　

　　3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)

　　3.1 硬件設(shè)置

　　針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，依據(jù)CC2510的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，針對(duì)器件內(nèi)部已嵌入的溫度傳感器，添加其他傳感器件，可以設(shè)計(jì)基于多傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，圖4給出了基于片內(nèi)溫度傳感器和光敏器件的溫度-光強(qiáng)傳感器的節(jié)點(diǎn)設(shè)備電路圖，其中Pa為光敏電阻，C21為去耦電容，器件本振信號(hào)可由外部有源晶體提供，也可以由內(nèi)部電路提供，由內(nèi)部電路提供時(shí)需外加晶體振蕩器和負(fù)載電容，電容的取值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)，該設(shè)備可采用3.0V電池供電。

　　

　　射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，發(fā)射部分經(jīng)過前端π型匹配網(wǎng)絡(luò)向50Ω垂直天線饋電，如果不希望采用上述匹配網(wǎng)絡(luò)，可以采用T型PCB天線直接與器件相連。

　　3.2 軟件設(shè)置

　　軟件設(shè)置主要包括三個(gè)方面：主機(jī)調(diào)度函數(shù)、數(shù)據(jù)采集與處理方式、射頻數(shù)據(jù)收發(fā)處理函數(shù)，對(duì)于應(yīng)用多傳感器的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，主機(jī)調(diào)度函數(shù)可以采用有競爭的中斷方式進(jìn)行全局調(diào)度，數(shù)據(jù)采用與處理方式依據(jù)硬件自身特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，希望通過描述性語言給出主機(jī)調(diào)度函數(shù)的實(shí)現(xiàn)思想：

　　

　　CC2510內(nèi)置一個(gè)可以在不同操作狀態(tài)（模式）之間轉(zhuǎn)換的狀態(tài)機(jī)，應(yīng)用該狀態(tài)機(jī)，可以通過使用寫入指令來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，圖5給出了射頻控制的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。這里借用MARCSTATE狀態(tài)寄存器中讀出的狀態(tài)字作為各個(gè)狀態(tài)的標(biāo)識(shí)。

　

　　在節(jié)點(diǎn)工作過程中，設(shè)定兩個(gè)激活狀態(tài)：接收（RX）和發(fā)送（TX），通過CPU向RFST寄存器中寫入SRX和STX指令來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的遷移。當(dāng)RX被激活時(shí)，器件將處于接收狀態(tài)，直至RX終止定時(shí)器超時(shí)或成功地收到一個(gè)包。如果射頻控制及當(dāng)前位于發(fā)送狀態(tài)，并且SRX寫入，當(dāng)前的發(fā)送狀態(tài)被中止，開始向RX過渡。如果射頻控制器當(dāng)前位于RX狀態(tài)，當(dāng)STX或者SFSTXON命令發(fā)布時(shí)，如果是暢通的信道就進(jìn)入TX狀態(tài)，如果信道不暢通，器件仍將處于RX狀態(tài)，在任何時(shí)候，SIDLE命令總是能夠迫使射頻控制器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

　　注意：由于使用了PQT、CS、最大同步字長和同步字評(píng)價(jià)模式，可以有效減少探測到錯(cuò)誤同步字的可能性。在成功地接收到數(shù)據(jù)包以后，射頻控制器將根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置進(jìn)入如下狀態(tài)：

　　IDLE：空閑；

　　FSTXON：在TX頻率時(shí)，頻率合成器打開并且已經(jīng)準(zhǔn)確好，用STX激活TX；

　　TX：開始發(fā)送開端；

　　RX：開始搜尋一個(gè)新的包。

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　　類似地，當(dāng)TX被激活時(shí)，器件一直處于TX狀態(tài)，直到當(dāng)前的包被成功地發(fā)送出，然后狀態(tài)會(huì)根據(jù)MCSM1.TXOFF_MODE設(shè)置提示的狀態(tài)改變。有關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合人為地選擇設(shè)定，在此不再贅述。

　　4 配置傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的通信

　　根據(jù)CC2510的特點(diǎn)，可以人為設(shè)定MAC層協(xié)議以完成節(jié)點(diǎn)間的通信，從而構(gòu)成星型或者網(wǎng)型（MESH）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，本文設(shè)計(jì)了一種基于載波偵聽、沖突避免機(jī)制的可變包長的MAC層協(xié)議—— MAC_S，采用8bit地址標(biāo)識(shí)各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該協(xié)議支持基于RSSI的LQI鏈路質(zhì)量描述、物理層采用曼徹斯特碼編碼的2-FSK調(diào)制方式，在這里，可以利用CC2510中通過軟件設(shè)定讓信號(hào)通過一個(gè)高斯濾波器，從而產(chǎn)生一個(gè)GFSK調(diào)制信號(hào)，限于篇幅有關(guān)這一MAC層協(xié)議的細(xì)節(jié)將另撰文論述，這里僅簡單介紹包格式及其處理過程，圖6給出了上述MAC_S協(xié)議的包格式。

　　

　　其中，4字節(jié)引導(dǎo)字用于標(biāo)識(shí)報(bào)文開端，同步字用于提取同步信息，包長度通常包括自身在內(nèi)的后續(xù)地址和載荷報(bào)文長度，校驗(yàn)域通過CRC-16算法進(jìn)行校驗(yàn)，在發(fā)送模式下，包處理器過程如下：發(fā)送的數(shù)據(jù)幀被送入RAM中的緩存區(qū)進(jìn)行相應(yīng)的幀打包操作，取發(fā)送凈荷依據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表填入地址并計(jì)算包長度，將一定數(shù)量的可編程的開端字節(jié)，MAC_S協(xié)議用4個(gè)開端字節(jié)，然后添加兩字節(jié)的同步字，在數(shù)字據(jù)中計(jì)算和加入CRC校驗(yàn)和并發(fā)送出去，在接收模式時(shí)，包處理支持將會(huì)分解數(shù)據(jù)包：首先進(jìn)行開端檢測、提取RSSI信息，然后進(jìn)行同步字檢測，接著檢測地址、進(jìn)行地址長度匹配并計(jì)算和檢查CRC。最后將數(shù)據(jù)凈荷提交上層進(jìn)行處理，從而完成一次接收交互。

　　5 結(jié)束語

　　CC2510是一款高集成度的工業(yè)用射頻收發(fā)器，其MAC層和PHY層可以適用于多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，工作于2.4GHz工業(yè)、科研和醫(yī)療頻段。通過添加簡單的外設(shè)，可構(gòu)成功能強(qiáng)大的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備。Chipcom公司在推出芯片的同時(shí)，還提供該器件的系列評(píng)估軟件-Smart RFStusio。通過該軟件設(shè)置可以對(duì)器件進(jìn)行性能和功能測試，方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)。