基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的海洋水環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

CC2420只需要極少的外圍電路，包括時(shí)鐘電路、射頻I／O匹配電路和微控制器接口電路三部分。芯片本振信號(hào)既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)需要外加晶體振蕩器和兩個(gè)負(fù)載電容，電容的大小取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數(shù)。例如當(dāng)采用16MHz晶振時(shí)，其電容約為22pF。射頻I／O匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗。CC2420與微處理器的連接非常方便，它使用SFD、FIFO、FIFOP、和CCA四個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)；微處理器通過SPI接口與CC2420交換數(shù)據(jù)、發(fā)送命令等。
CC2420收到物理幀的SFD字段后，會(huì)在SFD引腳輸出高電平，直到接收完該幀。如果啟動(dòng)了地址辨識(shí)，在地址辨識(shí)失敗后，SFD引腳立即轉(zhuǎn)為輸出低電平。FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO的緩存區(qū)狀態(tài)，如果接收FIFO緩存區(qū)有數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO引腳輸出高電平；當(dāng)接收FIFO緩存區(qū)為空，F(xiàn)IFO引腳輸出低電平；當(dāng)FIFO引腳在接收FIFO緩存區(qū)的數(shù)據(jù)超過某個(gè)臨界值時(shí)，或在CC2420接收到一個(gè)完整的幀以后輸出高電平臨界值時(shí)，可以通過CC2420的寄存器設(shè)置。CCA引腳在信道上有信號(hào)時(shí)輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效，在CC2420進(jìn)入接收狀態(tài)至少8個(gè)符號(hào)周期后，才會(huì)在CCA引腳上輸出有效的信道狀態(tài)信息。
SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成，微處理器通過SPI接口訪問CC2420內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從設(shè)備，接收來自微處理器的時(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)并在微處理器的控制下執(zhí)行輸入／輸出操作。SPI接口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，都與時(shí)鐘下降沿對(duì)齊，CC2420與MSP430F149是通過SPI連接的，其中MSP430F149處于主模式，CC2420處于從模式。MSP430F149還有4個(gè)I／O口與CC2420相連，主要起查詢CC2420狀態(tài)的作用。
電源管理模塊為傳感器單元、處理器單元、無線通信模塊提供能源，并對(duì)電源進(jìn)行管理，以提高能量的利用率。
2．3 系統(tǒng)IEEE802．15．4工作模式
IEEE802．15．4規(guī)范中規(guī)定使用DSSS調(diào)制方式，CC2420中的調(diào)制和擴(kuò)頻功能框圖如圖4所示。

每個(gè)字節(jié)分為兩組符號(hào)，4位一組，低位符號(hào)首先傳送，對(duì)于多字節(jié)域，則是低位字節(jié)首先傳送，但是，與安全有關(guān)的域先傳送高位字節(jié)。每個(gè)符號(hào)映射為一個(gè)超過16位的偽隨機(jī)序列，即32位片碼序列。片碼序列以2Mchip／s的速率傳送，對(duì)于每個(gè)符號(hào)，首先傳送低位片碼。
調(diào)制方式為偏移正交相移鍵控，具有半個(gè)正弦的形狀，相當(dāng)于最小頻移鍵控(MFSK)調(diào)制，每片的形狀通過半個(gè)正弦波交替在同相和正交相位信道傳送。
2．4 數(shù)據(jù)通信幀格式設(shè)置
同步頭包括前導(dǎo)序列和開始幀分隔符，在CC2420中前導(dǎo)序列長(zhǎng)度和開始幀分隔符是能設(shè)置的，默認(rèn)值4字節(jié)和1字節(jié)，是符合IEEE．80 2．15．4協(xié)議的；物理頭位為1字節(jié)，幀控制和序列號(hào)分別為2字節(jié)和1字節(jié)：地址和源地址共6字節(jié)，待發(fā)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為幀長(zhǎng)度減去地址和幀校驗(yàn)序列。當(dāng)MODEMCTRL0．AUTOCRC控制位置位時(shí)，這個(gè)幀校驗(yàn)序列自動(dòng)產(chǎn)生2字節(jié)，并由CC2420硬件自動(dòng)插入。

3 軟件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多路的自組織無線網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)，自動(dòng)路由查詢，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與傳輸，軟件設(shè)計(jì)上必須能夠?qū)崿F(xiàn)多跳自組織的功能。另外，傳感器節(jié)點(diǎn)必須要求極低的功耗，而低功耗除了硬件設(shè)計(jì)上的低功耗外，更重要的是軟件設(shè)計(jì)的低功耗。
此無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端在開機(jī)后首先進(jìn)行自檢，如果自檢失敗了，則進(jìn)行硬件故障提示，而且自動(dòng)關(guān)機(jī)。在自檢通過后，進(jìn)一步判斷工作模式。傳感器節(jié)點(diǎn)在自檢通過后進(jìn)入接入狀態(tài)，如果接入失敗則進(jìn)入等待狀態(tài)。處于等待狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)關(guān)閉射頻收發(fā)器以節(jié)省功耗，當(dāng)?shù)却〞r(shí)器溢出時(shí)，節(jié)點(diǎn)再次回到接入狀態(tài)進(jìn)行新的介入嘗試。如果節(jié)點(diǎn)接入成功便轉(zhuǎn)入業(yè)務(wù)狀態(tài)。處于業(yè)務(wù)狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)的采集與傳輸，對(duì)近節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)，新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的介入確認(rèn)等操作。節(jié)點(diǎn)為了實(shí)現(xiàn)低功耗，必須在業(yè)務(wù)狀態(tài)(活動(dòng)狀態(tài))與休眠狀態(tài)之間輪換。
軟件開發(fā)以IAR Embedded Workbench V2．10為平臺(tái)，采用C語言編寫。節(jié)點(diǎn)的MSP430系列單片機(jī)支持C語言程序設(shè)計(jì)。適用于MSP430系列的C語言與標(biāo)準(zhǔn)C語言兼容程度高，大大提高了軟件開發(fā)的工作效率，增強(qiáng)了程序代碼的可靠性、可讀性和可移植性。軟件編程的基本思想是：先對(duì)SPI、CC2420控制端口初始化，使能SPI、UART端口，使能ADC，開機(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序，實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)及命令了。
傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖5所示。