基于CC2420的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計
無線傳感器網(wǎng)絡是當今國內外通信領域的一大研究熱點,它在軍事、民用及工商業(yè)領域都具有廣闊的應用前景。在軍事領域,通過無線傳感器網(wǎng)絡,隱蔽地分布在戰(zhàn)場上的傳感器可將獲取的信息回給指揮部;在民用領域,無線傳感器網(wǎng)絡可在家居智能化、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健、災害預測等方面得到廣泛應用;在工商業(yè)領域,無線傳感器網(wǎng)絡在工業(yè)自動化、空間探索和其他商業(yè)用途卜得到廣泛應用。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/188866.htm考慮到無線傳感器網(wǎng)絡在通信上消耗能量較大,故選用功耗較小的CC2420芯片作為通信芯片來設計節(jié)點。
1 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的特征
無線傳感器網(wǎng)絡由大量體積小、能耗低、具有無線通信、傳感和數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點組成。因此,傳感器節(jié)點是尤線傳感器網(wǎng)絡的基本單元,節(jié)點設計的好壞直接影響到整個網(wǎng)絡的質量。無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點主要負責對周圍信息的采集和處理,并發(fā)送自己采集的數(shù)據(jù)給相鄰節(jié)點或將相鄰節(jié)點發(fā)過來的數(shù)據(jù)轉發(fā)給基站或更靠近基站的節(jié)點。它一般由傳感器模塊(傳感器、A/D轉換器)、處理器模塊(微處理器、存儲器)、無線通信模塊(無線收發(fā)器)和能量供應模塊(電池)組成,如圖1所示。
所有無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點都具有相同的功能,但在某一時刻,各個節(jié)點可能正在執(zhí)行不同的功能。根據(jù)功能,可以把節(jié)點分成傳感器節(jié)點、簇頭節(jié)點和匯聚節(jié)點3種類型。當節(jié)點作為傳感器節(jié)點時,主要是采集周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)(溫度、光度和濕度等),然后進行A/D轉換,交由處理器處理,最后由通信模塊發(fā)送到相鄰節(jié)點,同時該節(jié)點也要執(zhí)行數(shù)據(jù)轉發(fā)的功能,即把相鄰節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點或離匯聚節(jié)點更近的節(jié)點;當節(jié)點作為簇頭節(jié)點時,主要是收集該簇內所有節(jié)點所采集到的信息,經(jīng)數(shù)據(jù)融合后,發(fā)往匯聚節(jié)點;當節(jié)點作為匯聚節(jié)點時,其主要功能就足連接傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡(如Internet),將傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星發(fā)送給用戶。
CC2420是Chipcon公司開發(fā)的首款符合Zigbee標準的2.4 GHz射頻芯片,集成了所有Zigbee技術的優(yōu)點,可快速應用到Zigbee產(chǎn)品中。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4定義的可靠的PHY(物理層)和MAC(媒體訪問控制層)之上的標準,它定義了網(wǎng)絡層、安全層和應用層。Zigbee的協(xié)議架構如圖2所示。
Zigbee技術的特點如下:
a) 數(shù)據(jù)傳輸速率低:只有20~250 kbit/s,專注于低傳輸速率的應用。
b) 時延短:休眠激活時延和活動設備接入信道時延均為15 ms,典型的搜索設備時延為30 ms,這便可以使系統(tǒng)有更多的睡眠時問,從而大大降低能量消耗。
c) 功耗低:由于Zigbee的傳輸速率低,且采用了休眠模式,因此大大降低了功耗。單靠兩節(jié)5號電池便可維持6到24個月,這是其他無線通信技術望塵莫及的。
d) 安全性高:Zigbee提供了基于CRC(循環(huán)冗余校驗)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能,支持鑒權和認證,采用高級加密標準(AES-128)的對稱密碼,以靈活確定其安全屬性。
e) 免執(zhí)照頻段:采用直接序列擴頻在ISM(工業(yè)、科學、醫(yī)療)頻段,2.4 GHz(全球)、915 MHz(美國)和868 MHz(歐洲),均為免執(zhí)照頻段。
f) 網(wǎng)絡容量大:Zigbee可采用星狀、樹狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構,并采用IEEE標準的64-bit編址和16 bit短編址。由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點,最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點;同時,主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡節(jié)點管理,最多可組成65 000個節(jié)點的大網(wǎng)。
g) 可靠性高:采用了CSMA-CA技術來避免發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式,每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。
h) 低成本:由于Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低,協(xié)議簡單,因此大大降低了成本。
CC2420芯片除了擁有以上Zigbee的所有優(yōu)點外,還具有與微控制器的接口配置容易(四線SPI串行口)、接收與發(fā)送采用不同存儲空間、所需外部元件較少以及采用QLP-48封裝,外形尺寸只有7 mm×7 mm等性能特征。
CC2420芯片的內部結構如圖3所示。天線接收的信號經(jīng)低噪聲放大器放大,并通過I/Q降頻轉換為2 MHz的中頻信號。該信號再經(jīng)濾波、放大、A/D轉換、自動增益控制、終端信道過濾以及信號修正等,最終得到正確數(shù)據(jù)。當要發(fā)送數(shù)據(jù)時,先把要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入容量為128字節(jié)的發(fā)送緩沖區(qū)。報頭和起始幀由硬件自動生成。根據(jù)IEEE 802.15.4標準,將數(shù)據(jù)流的每4個比特擴展為32碼片,然后送到D/A轉換器。最后,經(jīng)過低通濾波和上變頻混頻,并在能量放大器中進行放大后,交由天線發(fā)送。
3 節(jié)點設計
由于在設計中用到的傳感器較少(主要是溫度傳感器和光傳感器),因此將傳感器模塊集成到處理器模塊中。所以對節(jié)點設計的描述將分為處理器模塊、通信模塊和供電模塊3部分。其中處理器模塊選用ATmega128L作為處理器芯片,通信模塊選用CC2420作為通信芯片,在電源方面,采用2節(jié)5號電池提供3V供電。
3.1 處理器模塊
處理器是整個節(jié)點的中心,其他模塊都要通過處理器來聯(lián)系,因此處理器性能的好壞決定了整個節(jié)點的性能。ATmega128L芯片是ATMEL公司開發(fā)的一款高性能、低功耗的8位AVR微處理器。它有128 kB的系統(tǒng)可編程Flash存儲器,4 kB EEPROM,以及4 kB的片內SRAM,同時還可以擴展外部存儲器;采用先進的RISC結構,大部分指令在一個時鐘周期內完成;有64個10引腳,都與通用單片機兼容;片內提供1個串行外圍接口SPI、1個兩線串行接口TWI和2個通用同異步串行接口,用于與外部元件的通信;并提供8通道10位采樣精度的A/D轉換器,該器件同時支持16路差分電壓輸入組合。
處理器與傳感器的連接如圖4所示。因為光傳感器與溫度傳感器的工作原理相似,因此它們可采用同樣的電路圖。圖中的R1為光敏電阻或熱敏電阻,R2為10kΩ電阻,用于保護電路,加入電容C1是為使A/D轉換器采樣所得到的數(shù)據(jù)更精確。
電路的工作原理是:用ATmega128L的一個引腳給電路提供電源,從圖中的電源端輸入電路。R1的阻值根據(jù)光(R1為光敏電阻)或溫度(R1為熱敏電阻)的變化而發(fā)生變化,從而引起其壓降的變化。將R1的負端與處理器的一個A/D轉換器端口連接,處理器即可收到一個電信號,然后處理器啟動A/D轉換功能,將電信號轉換為數(shù)字存入寄存器,當MCU需要處理或發(fā)送該數(shù)據(jù)時便可來取。利用下式可計算出十位二進制A/D轉換器讀數(shù)DADC。
式中:Vin為A/D轉換器引腳的輸入電壓;Vref為參考電壓。
評論