基于CC2430的无线传感器网络节点设计

　　摘　要：　基于无线传感器网络的特点，以ＣＣ２４３０芯片为核心设计了一种微型传感器节点。详细阐述了传感器节点的温湿度数据采集模块、电池能量检测模块以及节点之间“点对点”无线通信的软件流程。
　　无线传感器网络是由部署在监测区域内的大量微型传感器节点组成的，通过无线通信方式形成一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。无线传感器网络技术在美国商业周刊和ＭＩＴ技术评论的预测未来技术发展报告中，分别被列为２１世纪最有影响的２１项技术和改变世界的１０大技术之一。
　　传感器节点是无线传感器网络的基本组成单位。它由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个部分组成。由于传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，并通过携带能量有限的电池供电。本文依据传感器节点的这些特点，设计了一种用于环境中温湿度监测的以芯片ＣＣ２４３０为核心的无线传感器网络节点。
　　１　ＣＣ２４３０简介
　　ＣＣ２４３０芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司提供的全球首款支持ＺｉｇＢｅｅ协议的ＳｏＣ解决方案。它延用了ＣＣ２４２０芯片的架构，在单个芯片上整合了ＺｉｇＢｅｅ　射频（ＲＦ）前端、内存和微控制器。ＣＣ２４３０拥有１个８位８０５１ＭＣＵ，８ＫＢ的ＲＡＭ，３２ＫＢ、６４ＫＢ或１２８ＫＢ的Ｆｌａｓｈ，还包含模拟数字转换器、几个定时器、ＡＥＳ１２８协处理器、看门狗定时器、３２ｋＨｚ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及２１个可编程Ｉ／Ｏ引脚。
　　ＣＣ２４３０芯片采用０．１８μｍ　ＣＭＯＳ工艺生产，工作时的电流损耗为２７ｍＡ；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于２７ｍＡ或２５ｍＡ。ＣＣ２４３０的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
　　ＣＣ２４３０芯片的主要特点有：３２ＭＨｚ单指令周期低功耗的８０５１微控制器核；集成兼容ＩＥＥＥ８０２．１５．４标准２．４ＧＨｚ频段的ＲＦ无线电收发机；８ＫＢ的ＳＲＡＭ，其中４ＫＢ可在所有功耗模式下保持数据；兼容ＲｏＨＳ的７×７ｍｍＱＬＰ封装；４种可编程功耗模式；可编程的看门狗定时器；上电复位功能；支持硬件调试功能；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式时仅０．９μＡ的流耗，外部中断或ＲＴＣ能唤醒系统；在待机模式时少于０．６μＡ的流耗，外部中断能唤醒系统；硬件支持ＣＳＭＡ／ＣＡ功能；较宽的电压范围（２．０～３．６Ｖ）；数字化的ＲＳＳＩ／ＬＱＩ支持和强大的ＤＭＡ功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了１４位模数转换的ＡＤＣ；集成ＡＥＳ安全协处理器；带有２个强大的、支持几组协议的ＵＳＡＲＴ，以及１个符合ＩＥＥＥ　８０２．１５．４规范的ＭＡＣ计时器，１个常规的１６位计时器和２个８位计时器。
　　２　节点的硬件设计
　　无线传感器网络的节点通常由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。处理器模块和无线通信模块采用ＣＣ２４３０芯片，大大简化了射频电路的设计。传感器模块采用集成温湿度传感器ＳＨＴ１０。电源模块采用３Ｖ纽扣电池。节点的硬件原理框图如图１。

　　ＳＨＴ１０用于采集周围环境中的温度和湿度，其工作电压为２．４～５．５Ｖ，测湿精度为±４．５％ＲＨ，２５℃时测温精度为±０．５℃。采用ＳＭＤ贴片封装，与处理器的通信电路如图２所示。ＳＨＴ１０采用两条串行线与处理器进行数据通信。ＳＣＫ数据线负责处理器和ＳＨＴ１０的通讯同步；ＤＡＴＡ三态门用于数据的读取。ＤＡＴＡ在ＳＣＫ时钟下降沿之后改变状态，并仅在ＳＣＫ时钟上升沿有效。数据传输期间，在ＳＣＫ时钟高电平时，ＤＡＴＡ必须保持稳定。为避免信号冲突，微处理器应驱动ＤＡＴＡ在低电平。需要一个１０ｋΩ的外部上拉电阻将信号提拉至高电平。本设计中ＣＣ２４３０的引脚Ｐ１．０用于ＳＣＫ，Ｐ１．１用于ＤＡＴＡ。

　　３　节点的软件设计
　　节点的软件分为数据采集、电池能量检测和无线通信这三个分别设计的模块。以下给出了各个模块的流程图和详细说明。

　　３．１　温湿度数据采集模块
　　温湿度传感器ＳＨＴ１０采用类似但不兼容Ｉ２Ｃ总线的方式和处理器通信。数据通过ＤＡＴＡ线直接读取，控制流程如图３所示。首先用一组启动传输时序进行数据传输的初始化，然后发送一组测量命令（‘０００００１０１’表示相对湿度，‘００００００１１’表示摄氏温度），释放ＤＡＴＡ线，等ＳＨＴ１０下拉ＤＡＴＡ至低电平，表示测量结束，同时接收数据。
　　其中产生启动传输时序的程序片段如下：
　　……
　　Ｐ１＿１＝１；
　　Ｐ１＿０＝１；
　　ｗａｉｔ（１）；／／等待１ｍｓ
　　Ｐ１＿１＝０；
　　ｗａｉｔ（１）；
　　Ｐ１＿０＝０；
　　ｗａｉｔ（１）；
　　Ｐ１＿０＝１；
　　ｗａｉｔ（１）；
　　Ｐ１＿１＝１；
　　ｗａｉｔ（１）；
　　Ｐ１＿０＝０；
　　……
　　测量温度后，通过Ｔ＝ｄ１＋ｄ２×ＳＯＴ计算出温度。
　　测量湿度后，再根据当前的温度，通过ＲＨ＝（Ｔ℃－２５）×（ｔ１＋ｔ２×ＳＯＲＨ）＋ｃ１＋ｃ２×ＳＯＲＨ＋ｃ３×ＳＯＲＨ２，计算出相对湿度。其中常量ｄ１、ｄ２、ｔ１、ｔ２、ｃ１、ｃ２和ｃ３由ＳＨＴ１ｘ数据手册提供。
　　３．２　电源能量检测模块
　　无线传感器网络节点通常采用电池供电，电池的能量检测是重要环节。ＣＣ２４３０的ＡＤＣ模块不仅可以采样Ｐ０端口引脚上的输入电压，还可以采样ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ引脚上的１／３电压。这个功能通常用于实现电池的能量检测，即检测当前的电源电压是否在ＣＣ２４３０所能工作电压范围２．０￣３．６Ｖ内。完成一次ＡＤ转换的控制流程是：首先设置ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ引脚上电压的１／３为采样输入，然后启动ＡＤ转换，等待ＡＤ转换结束，寄存器ＡＤＣＨ：ＡＤＣＬ中的数据即为参考电压的相对数值。
　　由于是对电池能量的检测，可以采用ＣＣ２４３０内部提供的１．２５Ｖ电压作为参考电压。用这个参考电压采样ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ引脚上的１／３电压，从而得出当前的电源电压值。选用８位的采样精度，则寄存器ＡＤＣＣＯＮ３应配置为０ｘ０Ｆ。设置完寄存器后，ＡＤＣ立即启动一次ＡＤ转化，寄存器ＡＤＣＣＯＮ１的ＥＯＣ位用于指示当前的转化是否结束。当ＥＯＣ位变为１时，证明当前的转换完成，转换后的数值被存放在寄存器ＡＤＣＨ中。ＡＤＣＨ中的数值被读取后，ＥＯＣ位自动恢复为０。根据取出的数值计算得到当前ＡＶＤＤ＿ＳｏＣ上引脚的电压。通过连续采样１０次进行均值滤波，用这个平均值与用户设定的最低有效工作电压２．４Ｖ相比，可判断出当前电压是否正常。该模块的程序流程图如图４。
　　其中由ＤＡＴＡ［０．．．９］的均值Ａｖｅｒａｇｅ计算实际电压的代码如下：
　　……
　　Ｖｏｌｔａｇｅ＝（　（Ａｖｅｒａｇｅ＊１５）＞＞９）；／／Ｖｏｌｔａｇｅ为实际电压的１０倍
　　……
　　３．３　无线通信模块
　　无线传感器网络通信的基础是节点之间的点对点通信。本小节以两个节点之间的通信为例，介绍了点对点通信的过程和实现方法。首先，定义一种比ＩＥＥＥ８０２．１５．４规范所定义的ＭＡＣ协议层数据帧简单的ＭＡＣ层数据帧的格式：

　　其中目标地址和源地址分别用１个字节表示。本例中只有两个节点互相通信，分别将两个节点的地址设为０和１。标志位Ｆｌａｇｓ占１个字节，用于表示当前数据帧的类型。当数据帧中Ｆｌａｇｓ字节的最高位为１时，表示该帧是数据序列中的一帧；第３位为１时，表示该帧是超时重传的数据帧；第２位为１时表示该帧是接收到数据帧后的答复帧；第１位为１时，表示目标节点在收到该数据帧后要答复。帧校验ＦＣＳ由２个字节表示，是ＭＡＣ层协议数据单元ＭＰＤＵ的校验。如果ＣＣ２４３０的ＲＦ寄存器ＭＤＭＣＴＲＬ０Ｌ．ＡＵＴＯＣＲＣ控制位设为１，ＦＣＳ将由硬件自动实现，负责必须由软件用多项式ｘ１６＋ｘ１２＋ｘ５＋１进行ＣＲＣ的生成和校验。
　　由于ＩＥＥＥ８０２．１５．４规范中定义了物理服务数据单元（ＰＳＤＵ）的最大长度为１２７字节，而其中的５字节已经被使用，因此有效负载ｐａｙｌｏａｄ的字节长度在１～１２２之间。如果需要传送的数据长度超过１２２字节，则发送时这个数据应该被拆分成若干数据帧，以满足最大长度的限制。目标节点则必须能够将接收到的数据帧整合成完整的数据。
　　ＩＥＥＥ８０２．１５．４规定了ＲＦ物理层的工作频段为２．４ＧＨｚ，共有１６个频道。每个频道的实际工作频率和频道序号的关系式为：Ｆｃ＝２４０５＋５×（ｋ－１１）ＭＨｚ，ｋ＝１１，１２，…２６。两个节点的ＲＦ必须工作在相同的频道上，才能够互相收发数据。完成一次数据发送的程序流程图如图５。

　　系统初始化主要是将系统的工作频率设为３２ＭＨｚ的晶振频率，这样ＲＦ才能正常工作。ＲＦ初始化时，先设置通信频率，再通过设置ＲＦＰＷＲ．ＲＲＥＧ＿ＲＡＤＩＯ＿ＰＤ位为１给ＲＦ供电。ＲＦ初始化的过程还包括执行下面的代码来开启Ｒｘ，清空Ｒｘ、Ｔｘ的ＦｉＦｏ缓冲区以及校准Ｒａｄｉｏ。
　　ＳＲＸＯＮ；
　　ＳＦＬＵＳＨＴＸ；
　　ＳＦＬＵＳＨＲＸ；
　　ＳＦＬＵＳＨＲＸ；
　　ＳＴＸＣＡＬＮ；
　　ＩＳＳＴＡＲＴ；
　　ＤＭＡ的初始化阶段要为Ｔｘ分配１个空闲的ＤＭＡ通道。首先要为通道０和通道１￣４分别设置好通道描述数据结构的存放地址，并将首地址分别写入ＤＭＡ０ＣＦＧＨ：ＤＭＡ０ＣＦＧＬ和ＤＭＡ１ＣＦＧＨ：ＤＭＡ１ＣＦＧＬ。再为这个分配好的ＤＭＡ通道设置其描述数据结构。该数据结构如下：
　　ｔｙｐｅｄｅｆ　ｓｔｒｕｃｔ　｛
　　ＢＹＴＥ　ＳＲＣＡＤＤＲＨ；／／源地址
　　ＢＹＴＥ　ＳＲＣＡＤＤＲＬ；
　　ＢＹＴＥ　ＤＥＳＴＡＤＤＲＨ；／／目的地址
　　ＢＹＴＥ　ＤＥＳＴＡＤＤＲＬ；
　　ＢＹＴＥ　ＶＬＥＮ　　：３；
　　ＢＹＴＥ　ＬＥＮＨ　　：５；
　　ＢＹＴＥ　ＬＥＮＬ　　　：８；
　　ＢＹＴＥ　ＷＯＲＤＳＩＺＥ　：１；
　　ＢＹＴＥ　ＴＭＯＤＥ　　：２；
　　ＢＹＴＥ　ＴＲＩＧ　　　：５；
　　ＢＹＴＥ　ＳＲＣＩＮＣ　　：２；
　　ＢＹＴＥ　ＤＥＳＴＩＮＣ　　：２；
　　ＢＹＴＥ　ＩＲＱＭＡＳＫ　　：１；
　　ＢＹＴＥ　Ｍ８　　　：１；
　　ＢＹＴＥ　ＰＲＩＯＲＩＴＹ　　：２；
　　｝　ＤＭＡ＿ＤＥＳＣ；
　　当设置为Ｔｘ准备的ＤＭＡ通道时，需将数据的源地址ＳＲＣＡＤＤＲＨ：　ＳＲＣＡＤＤＲＬ设为所要发送数据的起始地址，目标地址ＤＥＳＴＡＤＤＲＨ：　ＤＥＳＴＡＤＤＲＬ设为寄存器ＲＦＤ的地址０ｘＤＦＤ９。然后，在ＬＥＮＨ：ＬＥＮＬ中设置所要发送数据的长度，并将ＶＬＥＮ设为０。将ＷＯＲＤＳＩＺＥ位设为０，表示ＤＭＡ数据按字节进行传输（设为１表示按字传输）。ＤＭＡ的数据传送模式按照一次触发传输的数据量可分成四种，由ＴＭＯＤＥ设置选择。本例中采用Ｂｌｏｃｋ模式，即一次ＤＭＡ触发可进行一个完整数据块的传输。ＣＣ２４３０定义的ＤＭＡ触发信号有３１种之多，由ＴＲＩＧ位设置。将ＴＲＩＧ设置为０，表示采用无触发模式，这样ＤＭＡ在每次接收到ＤＭＡＲＥＱ信号后才启动一次数据传输。ＳＲＣＩＮＣ和ＤＥＳＴＩＮＣ分别用于设置数据源地址和目标地址的变化方式，可设为不变、增１、增２或减１。由于采用按字节的Ｂｌｏｃｋ模式向Ｒａｄｉｏ发送数据，因此数据源地址选择增１变化，而数据目标地址则一直为寄存器ＲＦＤ的地址０ｘＤＦＤ９，故设为不变。ＩＲＱＭＡＳＫ位用于设置是否在ＤＭＡ数据传输完后发中断信号。本例中设为０，即禁止ＤＭＡ中断。Ｍ８是按字节传输时的数据宽度，设为０表示８位传输，为１时表示只传输字节的低７位。本例中设为０。ＰＲＩＯＲＩＴＹ用于优先级设置，本例中设为２，即中等优先级。
　　ＤＭＡ描述设置好后，通过设置寄存器ＤＭＡＡＲＭ和ＲＭＲＥＱ的位来准备相应的ＤＭＡ通道以及启动这个通道上数据块的传输。在启动ＤＭＡ数据传输之前，将当前数据帧的长度、目标节点地址、源节点地址、标志字节通过直接写寄存器ＲＦＤ的方式写入ＴＸＦＩＦＯ。这样在启动ＤＭＡ传输后，完整的数据帧将被传输至ＴＸＦＩＦＯ。通过给ＣＳＰ发送指令ＩＳＴＸＯＮＣＣＡ启动ＴＸ传输。这就完成了一帧数据的发送。
　　数据接收的过程同样需要设置系统工作频率为３２ＭＨｚ，且应确保Ｒｘ工作在Ｔｘ相同的频道上，并设置ＤＭＡ通道。其中ＤＭＡ的数据源为寄存器ＲＦＤ，并将ＤＭＡ触发信号设为ＲＡＤＩＯ，即Ｒａｄｉｏ接收到数据时触发ＤＭＡ。数据接收的程序流程如图６所示。

　　本文在总结归纳对芯片ＣＣ２４３０已有研究成果的基础上，阐述了基于ＣＣ２４３０的无线传感器网络节点的设计和实现，并详细介绍了两个节点之间点对点通信的实现。在实验中，节点能够采集环境的温、湿度和节点的电池电压，并将采集的数据在节点中传播。本文的研究为进一步的上层通信协议设计提供了基础，具有一定的研究意义。
　　

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王鹏

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