CC430F5137的低功耗無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點設計

摘要：隨著無線傳感器網絡的發(fā)展，無線網絡數(shù)據(jù)采集節(jié)點的低功耗要求也不斷提高。針對這一要求，利用內部集成了射頻模塊的CC430F51 37設計并實現(xiàn)了一種低功耗無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點。利用無線模塊喚醒功能降低了系統(tǒng)功耗，同時根據(jù)載波監(jiān)聽功能改進了射頻發(fā)送函數(shù)，提高了抗干擾能力。實驗結果表明，該設計的低功耗和抗干擾方法是可行的。

引言

隨著集成電路、無線通信技術和嵌入式技術的發(fā)展，無線通信網絡也應運而生，無線傳感網絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。

傳統(tǒng)的無線射頻通信模塊體積大，需要控制芯片來控制射頻模塊，這就增加了設計的成本，而且可移動性不好。

半導體技術的不斷進步使處理器芯片可以被集成為體積很小的一塊，而價格變得更便宜，專用的無線網絡芯片和技術也得到發(fā)展。文中采用了TI公司的CC430F5137設計并實現(xiàn)了一種應用于無線網絡中的節(jié)點模塊。CC430F5137是一款內部集成了射頻核的芯片，它內置了CC1101射頻核，使用單顆芯片就可以完成數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送與接收，使電路板的體積可以變得更小、更便宜。為了實現(xiàn)網絡節(jié)點的低功耗

設計，本文采用了射頻模塊的無線喚醒(WOR)功能。同時，利用射頻核的空閑信道評估(CCA)功能改進了射頻發(fā)送的算法，提高了多節(jié)點向中繼器模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時的準確性。

1 總體設計方案

無線傳感器網絡是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成的網絡。它是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協(xié)作的方式感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區(qū)域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網絡所有者。無線傳感器網絡主要實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸三種功能。

傳感器網絡節(jié)點一般受到工作環(huán)境的影響，功耗問題是要首先考慮的?？紤]到低功耗要求的設計，節(jié)點設備的主控MCU選擇CC430F5137，利用它內置的射頻通信模塊進行射頻通信。由于其低功耗的特點可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無線喚醒功能，能史好地降低系統(tǒng)功耗。

無線傳感器網絡中可以掛接多個節(jié)點設備，而每個節(jié)點設備的地址必須唯一。本文設計的節(jié)點設備采用撥碼開關來設置每個節(jié)點設備的地址，確保每個節(jié)點都有一個唯一的地址。通過SPI接口或I2C總線接入傳感器器件，可以靈活地接入不同型號的傳感器器件，以達到測試不同物理量的要求。節(jié)點的系統(tǒng)結構如圖1所示。

2 節(jié)點硬件設計

2.1 節(jié)點電路總體設計

CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6 V，選程度用兩節(jié)7號電池來提供3 V的直流電壓。配合軟件的設置可以最大程度地降低功耗。系統(tǒng)的關鍵部分是射頻發(fā)送利用一個射頻的天線模塊，可以保證射頻通信的穩(wěn)定性，此無線模塊由芯片的RF_N和RF_P兩個引腳接入。另外根據(jù)射頻發(fā)送的需要，接入一個26 MHz晶振。

CC430F5137的P1.5、P1.6、P1.7引腳可以用于串口通信和SPI通信，使用這三個引腳作為串口調試，另外P1.1、P1.2、P1.3引腳可以用于SPI和I2C總線通信，這三個接口用來預留連接傳感器的芯片。系統(tǒng)的主電路圖如圖2所示。

2.2 地址設定電路

為了使每個節(jié)點的地址唯一，采用8位的撥碼開關SW進行地址設定。如圖3所示，可以由撥碼開關來設定終端節(jié)點的地址，可以設定255個不同的地址，每一個終端節(jié)點作為從設備向中繼節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，然后由中繼節(jié)點發(fā)送到用于網絡管理的主控MCU，完成無線傳感器網絡數(shù)據(jù)的傳送。

3 節(jié)點軟件設計

3.1 程序主流程

在節(jié)點系統(tǒng)軟件的設計過程中，對幾個重要寄存器進行配置，主要進行配置的寄存器有載波頻率寄存器、數(shù)據(jù)速率寄存器、載波監(jiān)聽設置絕對閾值寄存器、射頻發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包長度寄存器和地址檢測開啟寄存器。其他的寄存器配置可以參照TI公司提供的SmartRF Studio

軟件，它是專門用于配置射頻通信相關的寄存器，本設計中采用SmartRF Studio 7對CC430F5137的寄存器進行配置。配置射頻發(fā)送的載波頻率為433 MHz，通信的數(shù)據(jù)速率為2.4 kbps，并且使能地址檢測功能，每一個節(jié)點部有唯一的地址。當節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)包中沒有和自身地址相匹配的內容，則節(jié)點設備就不會接收該數(shù)據(jù)包，不對其作處理。只有發(fā)送來的數(shù)據(jù)包與節(jié)點地址相對應時，節(jié)點才能接收并處理數(shù)據(jù)，這就有效地防止了中繼器節(jié)點向不同的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時會被多個節(jié)點收，可以有效地傳送數(shù)據(jù)。圖4為整個程序的主流程圖。

當系統(tǒng)一上電，則會做相應的初始化操作，比如串口、I2C總線，并對射頻模塊的各個寄存器進行配置，初始化功率放大表等。

系統(tǒng)初始化完畢后，系統(tǒng)會向中繼器節(jié)點主動發(fā)起連接請求，把自己的節(jié)點地址告訴中繼器節(jié)點，為以后的中繼器節(jié)點和終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳送做準備。發(fā)送完請求連接后，節(jié)點會等待中繼器節(jié)點的應答，如果沒有應答，節(jié)點會繼續(xù)請求連接，直到收到應答后再進行下一步的處理。

3.2 無線喚醒功能

為了更好地降低系統(tǒng)能量消耗，采用CC1101的無線模塊喚醒功能(WOR)，當系統(tǒng)請求連接成功后，就會進入無線喚醒模式，此時系統(tǒng)處于睡眠狀態(tài)。在此模式下功耗極低，可達到2.0μA。射頻內核可以通過軟件編程設置每隔一段時間喚醒，醒來后系統(tǒng)處于射頻接收狀態(tài)，如果這時檢測到有數(shù)據(jù)包發(fā)送過來，那么系統(tǒng)就會退出無線喚醒狀態(tài)，轉入正常的狀態(tài)去處理接收到的數(shù)據(jù)包。如果沒有檢測到數(shù)據(jù)包，系統(tǒng)則會繼續(xù)睡眠然后再重復地醒來檢測，這樣就保證了在不需要數(shù)據(jù)傳送的情況下，最大限度地節(jié)約能量消耗。圖5為系統(tǒng)處于無線喚醒狀態(tài)的程序流程圖。

3.3 射頻發(fā)送函數(shù)的改進

CC430F5137內嵌的射頻模塊具有空閑信道評估(CCA)功能，當開啟空閑信道評估功能時，只有在信道空閑的時候才能進入發(fā)送狀態(tài)，如果檢測到信道忙，則會一直保持在接收狀態(tài)。

為了確保本節(jié)點向中繼器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的準確性，以及提高多個中斷節(jié)點同時向中繼器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時的抗干擾性，采用射頻模塊的載波監(jiān)聽功能，并結合使用空閑信道評估功能改進了射頻發(fā)送函數(shù)。改進后的發(fā)送函數(shù)如下：

4 實驗驗證與分析

根據(jù)設計的電路圖，制成電路板后，燒入編寫好的測試程序。為了方便驗證，實驗時采用直流電源供電，為電路板提供3.0 V電壓，然后把萬用表串聯(lián)接入，分別測量休眠、接收和發(fā)送三種狀態(tài)下的電流消耗。表1是測試結果。

由表1可以看出，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下的電流消耗僅為2.3μA，由于發(fā)送數(shù)據(jù)量的不同，發(fā)送狀態(tài)下的電流消耗會因為數(shù)據(jù)包的長度而不同，發(fā)送數(shù)據(jù)包越大，電流消耗越大。CC430F5137在最大輸出功率時，433 MHz下最大的電流消耗是30 mA。系統(tǒng)從睡眠狀態(tài)轉入接收狀態(tài)時的電流消耗為15 mA，從實驗結果可以看出，采用無線模塊喚醒功能可以有效地降低系統(tǒng)功耗。

結語

本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術設計的無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點，這種設計可以大大地減小系統(tǒng)的體積。本系統(tǒng)可以采集各種各樣的信號，能將采集到的數(shù)據(jù)安全穩(wěn)定地傳送到中間數(shù)據(jù)采集點。設計中載波監(jiān)聽功能和信道空閑評估功能改進的射頻發(fā)送函數(shù)，可以有效地提高多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)時的抗干擾性。