基于RF芯片CC2510的無線傳感器網絡節點設備設計

隨著微電子技術、計算機網絡技術和通信技術的發展，無線傳感器網絡日漸成為互聯網領域研究的熱點之一，無線傳感器網絡具有“無處不在”和節點數量龐大等特點，適用于軍事、智能家居、環境監測和預報、醫療護理、建筑物狀態監控、工業控制領域，無線傳感器網絡節點設備是構成無線傳感器網絡的基礎，基本組成和功能包括如下幾個單元[1]：傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（由嵌入式系統構成、包括CPU、存儲器等）、通信單元（由無線通信模塊組成）和電源單元，如圖1所示，此外，可選擇的其他功能單元包括定位系統、移動系統及電源自供電系統等，通常，此類設備具有微型、低功耗、低成本、可擴展性、高安全性等特點。

　　2 CC2510的功能及內部結構

　　2.1 功能

　　CC2510是Chipco

?

n公司于2005年11月推出的一款2.4GHz射頻收發器，該器件成本低，包含UHF RF收發器和高性能低功耗8051微控制器，集成了32KB在系統可編程Flash和外設內嵌4KB SRAM，CC2510功能強大，擁有128位AES安全協處理器和DMA功能；系統時鐘是16MHz片內RC振蕩器或26MHz晶體振蕩器，實時時鐘采用低功耗32.768KHz晶體振蕩器或內部34KHz RC振蕩器，具有高靈敏度（10kb/s下為-100dBm）和較高的接收靈敏度和阻塞功能，支持2-FSK，GFSK和MSK等調制方式；支持數字RSSI/LQI，工作電壓2.0V-3.6V；具有21個通用I/O接口、兩個UART/SPI接口和可編程看門狗計時器，片內有1個16位定時器和3個8位定時器，真正的隨機號碼發生器，支持硬件是，有兩個數據指針。CC2510采用Chipcon公司的Smart RF 04技術，以0.18μm CMOS工藝制成，只需極少外部元件就可以構成性能穩定且功能極低的片上系統（SoC）。CC2510的選擇性和敏感性指數優越，可確保短距離通信的有效性和可靠性，除上述特點外，該器件還包含8路8-14位ADC，具備4種靈活的降功耗模式，從休眠狀態到工作狀態的過渡時間非常快，內嵌溫度傳感器，非常適合作為無線傳感器網絡節點設備。

?

　　2.2 CC2510內部結構

　　CC2510器件的部結構如圖2所示，其中CC2510的處理器采用兼容8051單片機內核的結構及指令系統，該內核通過3種不同的內存訪問總線（SFR，DATA和CODE/XDATA）對內存進行訪問控制，SFR總線負責將所有的外設同內存仲裁相連接，還負責CPU與射頻寄存器之間的交互，此外，在系統中還存在有一個處于核心地位的設備——內存仲裁。內存仲裁通過SFR總線將CPU、DMA模塊、存儲器以及其他外設連接在一起。內存仲裁通過4個內存器指針選擇接入SRAM、Flash存儲器或者SFR寄存器。系統通過中斷控制器維護4種不同優先級的18個中斷源，這些中斷源被分成6組，每組關聯一種中斷優先級。為降低功耗，系統可支持4種工作模式，表1給出了這4種工作模式的特點和狀態。

?

　　CC2510包含有8路8-14位ADC，支持單端輸入和差分輸入兩種模式，能夠采用可選正向參考電壓，ADC中還包含了一個溫度傳感器通道，可以直接連接片內集成的溫度傳感器，ADC的輸入端口復用通用I/O端口的P0部分作為AIN0-AIN7端口，圖3給出了ADC模塊的框圖，CC2510的ADC轉換結果一般為13位，這些結果通常存儲于ADC數據寄存器ADCH及ADCL中，ADC轉換結束能夠觸發自己中斷，即便是由于在ADCH與ADCL之間讀取而造成ADC無法訪問數據寄存器，并因此丟失了轉換數據，中斷仍會被觸發。

天線接收的射頻信號經過低噪聲放大器和I/O下變頻處理后，中頻信號只有2MHz，此混合I/O信號經過濾波、放大、AD變換，自動增益控制、數字調節和解擴，最終恢復出傳輸的正確數據，發射機部分基于直接上變頻，CC2510的發射部分基于RF頻率的直接合成。頻率合成器包括一個完整的片上LC壓控振蕩器和一個90°得相移器，產生接收模式時下變頻器作為合成器、AD時鐘和數字部分時鐘的參考頻率，系統使用SFR（特殊功能寄存器）寄存器作為接口為來自CPU的數據進行緩沖，寄存器的配置和狀態可以從寄存器映射存儲器XDATA中查詢。數字基帶信號支持通道配置，包處理和數據緩沖，片上的電壓校正器產生一個校正過的1.8V供電電壓。

　　

　　3 無線傳感器網絡節點設備設計

　　3.1 硬件設置

　　針對無線傳感器網絡的特點，依據CC2510的內部結構，針對器件內部已嵌入的溫度傳感器，添加其他傳感器件，可以設計基于多傳感器的無線傳感器網絡節點設備，圖4給出了基于片內溫度傳感器和光敏器件的溫度-光強傳感器的節點設備電路圖，其中Pa為光敏電阻，C21為去耦電容，器件本振信號可由外部有源晶體提供，也可以由內部電路提供，由內部電路提供時需外加晶體振蕩器和負載電容，電容的取值取決于晶體的頻率及輸入容抗等參數，該設備可采用3.0V電池供電。

　　

　　射頻輸入/輸出匹配電路主要用來匹配器件的輸入/輸出阻抗，使其輸入/輸出阻抗為50Ω，發射部分經過前端π型匹配網絡向50Ω垂直天線饋電，如果不希望采用上述匹配網絡，可以采用T型PCB天線直接與器件相連。

　　3.2 軟件設置

　　軟件設置主要包括三個方面：主機調度函數、數據采集與處理方式、射頻數據收發處理函數，對于應用多傳感器的傳感器網絡節點設備，主機調度函數可以采用有競爭的中斷方式進行全局調度，數據采用與處理方式依據硬件自身特點實現，希望通過描述性語言給出主機調度函數的實現思想：

　　

　　CC2510內置一個可以在不同操作狀態（模式）之間轉換的狀態機，應用該狀態機，可以通過使用寫入指令來實現狀態之間的轉換，圖5給出了射頻控制的狀態轉換圖。這里借用MARCSTATE狀態寄存器中讀出的狀態字作為各個狀態的標識。

　

　　在節點工作過程中，設定兩個激活狀態：接收（RX）和發送（TX），通過CPU向RFST寄存器中寫入SRX和STX指令來實現狀態的遷移。當RX被激活時，器件將處于接收狀態，直至RX終止定時器超時或成功地收到一個包。如果射頻控制及當前位于發送狀態，并且SRX寫入，當前的發送狀態被中止，開始向RX過渡。如果射頻控制器當前位于RX狀態，當STX或者SFSTXON命令發布時，如果是暢通的信道就進入TX狀態，如果信道不暢通，器件仍將處于RX狀態，在任何時候，SIDLE命令總是能夠迫使射頻控制器進入空閑狀態。

　　注意：由于使用了PQT、CS、最大同步字長和同步字評價模式，可以有效減少探測到錯誤同步字的可能性。在成功地接收到數據包以后，射頻控制器將根據系統設置進入如下狀態：

　　IDLE：空閑；

　　FSTXON：在TX頻率時，頻率合成器打開并且已經準確好，用STX激活TX；

　　TX：開始發送開端；

　　RX：開始搜尋一個新的包。

?

?

?

　　類似地，當TX被激活時，器件一直處于TX狀態，直到當前的包被成功地發送出，然后狀態會根據MCSM1.TXOFF_MODE設置提示的狀態改變。有關狀態轉換條件需要根據實際應用場合人為地選擇設定，在此不再贅述。

　　4 配置傳感器網絡節點間的通信

　　根據CC2510的特點，可以人為設定MAC層協議以完成節點間的通信，從而構成星型或者網型（MESH）無線傳感器網絡，本文設計了一種基于載波偵聽、沖突避免機制的可變包長的MAC層協議—— MAC_S，采用8bit地址標識各個無線傳感器節點，該協議支持基于RSSI的LQI鏈路質量描述、物理層采用曼徹斯特碼編碼的2-FSK調制方式，在這里，可以利用CC2510中通過軟件設定讓信號通過一個高斯濾波器，從而產生一個GFSK調制信號，限于篇幅有關這一MAC層協議的細節將另撰文論述，這里僅簡單介紹包格式及其處理過程，圖6給出了上述MAC_S協議的包格式。

　　

　　其中，4字節引導字用于標識報文開端，同步字用于提取同步信息，包長度通常包括自身在內的后續地址和載荷報文長度，校驗域通過CRC-16算法進行校驗，在發送模式下，包處理器過程如下：發送的數據幀被送入RAM中的緩存區進行相應的幀打包操作，取發送凈荷依據轉發表填入地址并計算包長度，將一定數量的可編程的開端字節，MAC_S協議用4個開端字節，然后添加兩字節的同步字，在數字據中計算和加入CRC校驗和并發送出去，在接收模式時，包處理支持將會分解數據包：首先進行開端檢測、提取RSSI信息，然后進行同步字檢測，接著檢測地址、進行地址長度匹配并計算和檢查CRC。最后將數據凈荷提交上層進行處理，從而完成一次接收交互。

　　5 結束語

　　CC2510是一款高集成度的工業用射頻收發器，其MAC層和PHY層可以適用于多種協議標準，工作于2.4GHz工業、科研和醫療頻段。通過添加簡單的外設，可構成功能強大的傳感器網絡節點設備。Chipcom公司在推出芯片的同時，還提供該器件的系列評估軟件-Smart RFStusio。通過該軟件設置可以對器件進行性能和功能測試，方便用戶進行二次開發。