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1、-摘要：传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位本文通过对传感器硬件节点的分析，以射频芯片CC2420为核心，设计了一种基于CC2420与MSP430单片机的无线传感器网络的硬件节点设计方案。关键词：无线传感器网络；硬件节点；CC2420；MSP430传感器网络被认为是影响人类未来生活的十大新兴技术之一， 它是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物。传感器网络是由大量的传感器节点组成的，它们能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位是构成无线传感器网络的基础平台。节点不仅完成采集信息、融合并传送数据的功能节点中的电
2、源模块还负责节点的驱动是决定网络生存期的关键因素。传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础。无线传感器网络WSN（WirelessSensorNetwork）是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知和采集节点部署区的观察者感兴趣的感知对象的各种信息（如光强、温度、湿度、噪音和有害气体浓度等物理现象），并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给观察者。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景。在传感器网络中，传感器节点具有端节点和路由的功能：一方面实现数据的采集和处理；另一方
3、面实现数据的融合和路由，对本身采集的数据和收到的其他节点发送的数据进行综合，转发路由到网关节点。网关节点往往个数有限，而且常常能量能够得到补充；网关通常使用多种方式（如Internet、卫星或移动通信网络等）与外界通信。而传感器节点数目非常庞大，通常采用不能补充的电池提供能量；传感器节点的能量一旦耗尽，那么该节点就不能进行数据采集和路由的功能，直接影响整个传感器网络的健壮性和生命周期。因此，传感器网络主要研究的是传感器网络节点。具体应用不同，传感器网络节点的设计也不尽相同，但是其基本结构是一样的。传感器网络节点一般由处理器单元、无线传输单元、传感器单元和电源模块单元4部分组成。2CC2420芯
4、片介绍CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器。该器件包括众多额外功能，是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技术，以0.18um CMOS工艺制成只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求，可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250kbps可以实现多点对多点的快速组网。 2.1主要性能特点CC2420的主要性能参数如下： 工作频带范围：2.4002.4835GHz；
5、 采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式； 数据速率达250kbps码片速率达2MChip/s； 采用o-QPSK调制方式； 超低电流消耗（RX:19.7mA,TX:17.4mA）高接收灵敏度（-99dBm）； 抗邻频道干扰能力强(39dB)； 内部集成有VCO、LNA、PA以及电源整流器采用低电压供电(2.13.6V)； 输出功率编程可控； IEEE802.15.4 MAC层硬件可支持自动帧格式生成、同步插入与检测、16bit CRC校验、电源检测、完全自动MAC层安全保护(CTR,CBCMAC,CCM)； 与控制微处理器的接口配置容易(4总线SPI接口)； 开发工具齐全提供
6、有开发套件和演示套件； 采用QLP-48封装，外形尺寸只有7X7mm。 2.2芯片内部结构CC2420芯片的内部结构如图所示。天线接收的射频信号经过低噪声放大器和I/Q下变频处理后，中频信号只有2MHZ,此混合I/Q信号经过滤波、放大、AD变换、自动增益控制、数字解调和解扩最终恢复出传输的正确数据。图2.1 CC2420芯片内部结构发射机部分基于直接上变频。要发送的数据先被送入128字节的发送缓存器中,头帧和起始帧是通过硬件自动产生的。根据IEEE802.15.4标准,所要发送的数据流的每7个比特被32码片的扩频序列扩频后送到变换器。然后，经过低通滤波和上变频的混频后的射频信号最终被调制到2.
7、4GHZ，并经放大后送到天线发射出去。 2.3典型应用电路CC2420只需要极少的外围元器件，其典型应用电路如图2所示。它的外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三个部分。 芯片本振信号既可由外部有源晶体提供， 也可由内部电路提供。由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体的频率及输入容抗等参数。例如当采用16MHZ晶振时其电容值约为22f。 图2.2 CC2420典型应用电路射频输入/出匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。 CC2420可以通过4线SPI总线(SI、SO
8、、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式并实现读/缓存数据读/状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/收缓存器。注意：在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先的。CC2420片内有33个16比特状态设置寄存器,在每个寄存器的读/周期中SI总线上共有24比特数据,分别为1比特RAM/寄存器选择位(0:寄存器，1:RAM),1比特读/写控制位(0:写，1:读),6比特地址选择位、16比特数据位。在数据传输过程中CSn必须始终保持低电平。 3.MSP430芯片介绍MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，在 1996 年问
9、世，由于它具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 3.1 MSP430的特点简单介绍 1. 16位精简指令结构 2. 内含10,12,14位快速ADC/SLOP ADC 3. 内含FLASH ROM多致60K字节,多致2K RAM 4. 片内资源丰富,有ADC,PWM,若干TIME,串行口，WATCHDOG,比较器,模拟信号 5. 有多种省电模式，功耗特别省，一颗电池可工作10年,在液晶显示时也能达到0.8uA的低电源消耗 6. 开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。 7. 同其它微控制器相比，带Flash的微控制器可以将功耗降低5倍，
10、既缩小了线路板空间又降低了系统成本。 8. 高效16位RISCCPU可以确保任务的快速执行，缩短了工作时间。大多数指令可在一个时钟周期里完成 9. 6微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速，降低了电池的功耗。 10. MSP430产品系列可以提供多种存储器选择，从14位ADCs到LCD驱动电路的混合信号外设，简化了各类应用中 MSP430的设计 11. ESD保护，抗干扰力特强 12. 1.8V-3.6V低电压供电3.2 MSP430CPU的结构和特点3.2.1 MSP430单片机的CPU具有的功能：1. 可保存少量数据2. 可进行算术和逻辑运算3. 能对指令进行译码并执行规定的动
11、作4. 能和存储器、外设交换数据5. 提供整个系统所需要的定时和控制6. 可以响应其他部件发来的中断请求3.2.2 MSP430单片机的CPU主要特征：1. 精简指令集高度正交化2寄存器资源丰富3. 寄存器操作为单周期4. 6位地址总线5. 常数发生器6. 直接的存储器到存储器访问7. 位、字和字节操作方式3.3 MSP430存储器的结构和地址空间MSP430单片机存储器采用统一结构，ROM/FLASH、RAM、外围模块、特殊功能寄存器等，被安排在同一地址空间，这样可使用一组地址、数据总线、相同的指令进行访问。不同系列的器件的存储空间分布有很多相同之处： 1. 中断向量被安排在相同的空间：0F
12、FE0H0FFFFH2. 8位、16位外围模块占用相同范围的存储器地址3. 数据存储器都从0200H处开始4. 程序存储器的最高地址都是0FFFFH图3.1 MSP430F15X/F16(1)X 系列引脚4.硬件节点设计在进行无线传感节点设计时,应考虑其具有的如下特点:微型化, 应用中的传感器节点要高度集成，保证不会对目标系统的特性造成影响，受外形尺寸限制，模块必须能够集成更多部件；低功耗,网络往往部署在无人值守的地方，节点使用电池供电，不能频繁更换电池，因此，如何节省电能是应用的首要问题；运行速度，网络对节点的实时性要求很高，要求处理器的实时处理能力要强；扩展接口,多功能的传感器产品是发展的
13、趋势，而在前期设计中，不可能把所有的功能包括进来，这就要求系统有很强的可扩展性；可靠性, 传感器网络可以分布在很广的地域,因此，维护十分困难，传感器网络的软、硬件必须具有高鲁棒性和容错性；尽可能低的成本。综合以上考虑,本文设计的传感器节点框图如图4.1所示。图4.1 系统硬件结构框图传感器节点由数据采集、数据处理、数据传输和电源等模块组成，本方案采用了以MSP430为核心的控制模块。MSP430在低功耗方面表现出色，并且在恶劣条件下工作性能稳定。以CC2420为无线收发模块，MSP430与CC2420通过SPI方式通信，MSP430采用主模式，CC2420采用从模式。节点的传感器模块与主板分离
14、，模块化的设计提高了节点在不同应用中的灵活性。5. 硬件接口电路设计CC2420与处理器的连接非常方便。它使用SFD、 FIFO、 FIFOP、和CCA 4个引脚表示收发数据的状态;而处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送命令等。CC2420收到物理帧的SFD字段后，会在SFD引脚输出高电平，直到接收完该帧。如果启动了地址辨识，在地址辩识失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO的缓存区状态。如果接收FIFO缓存区有数据，FIFO引脚输出高电平;如果接收FIFO缓存区为空，FIFO引脚输出低电平。当FIFOP引脚在接收FIFO缓存区的数据超过某个临
15、界值时，或者在CC2420接收到一个完整的帧以后输出高电平。临界值可以通过CC2420的寄存器设置。CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。在CC2420进入接收状态至少8个符号(symbol)周期后，才会在CCA引脚上输出有效的信道状态信息。SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成。处理器通过SPI接口访问CC2420内部寄存器和存储器。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从设备，接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入输出操作。SPI接口接收或者发送数据时，都与时钟下降沿对齐。CC2420与MSP430是通过SPI连接的，其中，MSP430处于主模式，CC2420处于从模式。MSP430还有4个I/O与CC2420相连，主要起查询CC2420状态的作用。CC2420与MSP430的接口电路如图2所示。图5.1 MSP430与CC2420的接口电路 6. 节点设计的要点及注意事项在设计节点时,重点是射频部分, CC2420要求时钟源的精度在40ppm以内。本文采用高精度、性能稳定的四脚贴片晶振，来避免晶振的漂移。进行电路
