基于CC2420的无线传感器网络节点的设计

3 节点设计  

由于在设计中用到的传感器较少(主要是温度传感器和光传感器)，因此将传感器模块集成到处理器模块中。所以对节点设计的描述将分为处理器模块、通信模块和供电模块3部分。其中处理器模块选用ATmega128L作为处理器芯片，通信模块选用CC2420作为通信芯片，在电源方面，采用2节5号电池提供3V供电。  

3.1 处理器模块  

处理器是整个节点的中心，其他模块都要通过处理器来联系，因此处理器性能的好坏决定了整个节点的性能。ATmega128L芯片是ATMEL公司开发的一款高性能、低功耗的8位AVR微处理器。它有128 kB的系统可编程Flash存储器，4 kB EEPROM，以及4 kB的片内SRAM，同时还可以扩展外部存储器；采用先进的RISC结构，大部分指令在一个时钟周期内完成；有64个10引脚，都与通用单片机兼容；片内提供1个串行外围接口SPI、1个两线串行接口TWI和2个通用同异步串行接口，用于与外部元件的通信；并提供8通道10位采样精度的A／D转换器，该器件同时支持16路差分电压输入组合。  

处理器与传感器的连接如图4所示。因为光传感器与温度传感器的工作原理相似，因此它们可采用同样的电路图。图中的R1为光敏电阻或热敏电阻，R2为10kΩ电阻，用于保护电路，加入电容C1是为使A／D转换器采样所得到的数据更精确。  

电路的工作原理是：用ATmega128L的一个引脚给电路提供电源，从图中的电源端输入电路。R1的阻值根据光(R1为光敏电阻)或温度(R1为热敏电阻)的变化而发生变化，从而引起其压降的变化。将R1的负端与处理器的一个A／D转换器端口连接，处理器即可收到一个电信号，然后处理器启动A／D转换功能，将电信号转换为数字存入寄存器，当MCU需要处理或发送该数据时便可来取。利用下式可计算出十位二进制A／D转换器读数DADC。  



式中：Vin为A／D转换器引脚的输入电压；Vref为参考电压。  



3.2 通信模块  

在无线传感器网络中，最关键的技术是实现节点间的通信。随着集成电路的发展，芯片的集成度越来越高，能耗越来越少，因此，传感器节点的能量主要是耗费在通信上。所以，选择一块低能耗的通信芯片将为节点节省能量，延长寿命。  

CC2420是Chipeon公司开发的一款低功耗通信芯片。由于其唤醒时延短，使得它能有更多的时间处于睡眠状态，从而大大降低了节点的能耗，延长节点的寿命。CC2420与ATmega128L的连接如图5所示。  



CC2420有4个SPI通信接口：CSn、SI、SO、SCLK，刚好对应ATmega128L的4个SPI通信接口：SS、MO-SI、MISO、SCLK。通过这4条线，处理器可以对CC2420进行写入或读取配置信息，也可以收发数据。由于CC2420只有从机模式，因此处理器只能采用主机模式。如图5所示，由处理器的SCLK引脚提供时钟频率；SS引脚控制数据收发的同步性，在接收和发送时，都要保证CSn为低电平；MOSI与MISO分别是数据输出和输入的引脚。SFD引脚在发送或接收完开始帧后置为高电平，然后继续发送和接收后面的数据。在接收模式下，若地址识别功能使能且识别成功或地址识别功能不使能，则SFD引脚直到所有数据发送完成才降为低电平。若地址识别功能使能但识别失败，SFD引脚将马上降为低电平。处理器的ICP引脚可以通过与SFD引脚的连接获取数据发送和接收的时间信息。与CCA引脚的连接可使处理器获取清除通道评估信号。FIFO和FIFOP是与CC2420的RXFIFO(接收数据存储区)相关的两个信号。当RXFIFO中有数据时，FIFO就变为高电平，直到RXFIFO为空为止。这样，处理器便可通过读取FIFO引脚的电平来判断CC2420中是否有接收到的数据。当RXFIFO中未被读取的数据超过某个门限值(可编程没定)或整个数据包接收完成后还未被读取时，FIFOP引脚就变成高电平。但是，当CC2420的地址识别功能使能时，只有到地址识别成功后FIFOP引脚才会发挥作用，这是为了防止处理器在CC2420的地址识别完成前读取那些可能无效的数据。当RXFIFO发生溢出时，FIFO将变为低电平，同时，FIFOP变为高电平。所以与FIFO引脚和FIFOP引脚的连接可以让处理器知道何时该读取数据。将FIFOP引脚与处理器的一个外部中断引脚连接，是为了让处理器能及时读取CC2420的RXFIFO中的数据，从而尽量避免RXFIFO的溢出。  

3.3 供电模块  

由于无线传感器网络可能工作在人烟稀少或人类无法到达的地区，所以大多只能采用电池供电，且一般不可能更换电池。因此，如何降低节点能耗是无线传感器网络研究中最关心的问题之一。CC2420芯片采用低电压供电(2.1 V～3.6 V)，同时，采用休眠模式，且从休眠模式被激活的时延短，因此有更多的时间处于休眠状态，而处于休眠状态时芯片的能耗极低，从而大大减少了能耗。CC2420各状态下的电流消耗典型值如下：稳压器关闭为0.02μA，低电位模式为20μA，空闲模式为426μA，接收模式为18.8 mA，发送模式(输出功率P=0 dBm)为17.4 mA。  

同时，ATmega128L也是一款采用低电压供电的芯片(2.7 V～5.5 V)。而且ATmega128L有6种睡眠模式：空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式。可根据需要，通过软件编程或硬件复位等方式来控制处理器进入睡眠模式，节省能耗。同时，各种睡眠模式都有各自的唤醒源，当有数据需要处理器处理时，便可由唤醒源将其唤醒，进入工作状态，一旦处理完成，再次进入睡眠状态。采用这种工作方式，处理器能够最大限度地节约能耗。