CC1110在低功耗无线传感器网络中的应用研究

引言

随着无线传感器网络应用的日趋广泛，越来越多的应用领域要求节点模块不仅拥有更小的体积，而且能够持续工作更长的时间，低功耗的设计已成为无线传感器网络应用研究的一个重要方面。

无线传感器网络低功耗设计可从三个方面进行：一是硬件设计低功耗，即通过低功耗芯片选型、低功耗电路设计技巧运用等多种手段降低系统功耗;二是工作模式低功耗，这是低功耗设计中最主要的手段，也是最有效的，它通过转换节点模块“休眠-唤醒”的工作状态实现功耗控制，可以采用节点时间同步、主机模式控制等方法达到降低功耗的目的;三是软件设计低功耗，即在无线传感器网络开发过程中，从软件着手，通过优化程序设计、切换芯片功耗模式、采用中断驱动模式等手段降低系统功耗，从原理上讲工作模式低功耗设计也是软件设计低功耗的一种。

针对某传感器网络应用中，由于小范围内包含大量聚集的传感器节点，且数据采集时间随机，传统Mesh型(网状)网络拓扑结构和基于时间同步算法的星型传感器网络难以实现，而采用基于星型拓扑结构和主机轮询的网络工作模式，能够有效满足系统需求，并可以实现低功耗的系统设计。具体开发中，采用无线微控制器CC1110作为主控芯片，综合硬件设计低功耗、工作模式低功耗和软件设计低功耗实现了系统的低功耗设计。

1 系统组成及硬件电路设计

图1为基于CC1110的无线传感器网络系统结构框图，以节点控制器为核心，与无线节点模块组成星型拓扑结构的网络。节点模块以CC1110为控制核心，一方面控制传感器进行数据采集，另一方面完成与节点控制器的无线通信，接受节点控制器的控制。节点电源模块包含充电电路、可充电电池、多级电源芯片等，是电路低功耗设计的硬件基础。

节点模块采用电池独立供电模式，可以利用无线充电或者太阳能充电，大大扩展了这种传感器网络的应用范围和场合，并且设计中采用了紧缩的电路结构设计、小容量可充电电池以及微小封装外围芯片，所以整个节点模块体积非常小。图2为CC11l0传感器节点模块的电路原理图。采用CC1110为控制核心的优势在于：CC1110是一款低成本SoC，内部集成了一个增强型低功耗8051处理器内核和一个无线收发芯片CC1100，无线通信可工作在315/433/915 MHz的ISM(工业、科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段;芯片配合少量的外围器件，即可成为一个无线传感器网络的通信、控制核心。

图3为电池供电模块电路原理图，采用RICHTECH公司的低压差稳压芯片RT9161A-42CX，可输出4.2V电压和最大500mA电流，在驱动电流为100 mA时，典型压降为200 mV，能够提升无线充电和太阳能充电时的能量利用率。内置可充电电池容量为150 mA，能够满足系统能量需求，也可以有效减小模块的体积。

图4为CC1110电池电压检测电路及供电模块电路原理图。电池在满电状态下能够输出4.2 V的电压，这超出了CC1110正常工作时的最高电压3.9 V，所以需要在电池输出端添加一级的降压或者稳压的过程。可以采用两种方式：一是利用稳压二极管，这种方式简单有效，但是会造成功率的大量浪费，特别是稳压二极管前端一般需要一个限流电阻，在芯片休眠状态下，此电阻也会持续耗电，直至电池电压降到稳压二极管的击穿电压(比如3.9 V)这样电池从4.2 V到3.9 V的电量将被浪费;二是利用集成稳压芯片，应当选用有较高转化效率和较小自身功耗的芯片，这里选择RICHTECH公司的RT9013A-30PB，不仅具有极低的噪声适合RF应用，而且静态功耗只有25μA，可以大大减小系统的静态功耗。CC 1110电池电压检测及供电模块如图4所示。图4中的电阻分压电路是用来检测电池电量，接入CC1110的P0_7端口，利用内部的模数转换功能实现电池电量的监测，因为采用了芯片内的1.25 V基准电压作为参考，所以外部需要准确分压来计算电池电量，分压电阻也可以采用非精密电阻，这需要实际测量阻值并在电压计算中调整换算系数。

RT9013A-30PB还具有使能端口，能实现供电的开关控制，特别是作为传感器电源，在传感器没有低功耗模式时，可由控制器直接关断，实现极低的功耗。图5为RT9013A-30PB应用于外部传感器控制的电路原理图，需要注意的是，该款芯片最大能提供500 mA的电流。

通过硬件设计，包括电池充电电路、CC1110芯片供电电路、电压检测电路、传感器供电电路等，构建了系统低功耗的硬件基础。但实际工作时，CC1110在无线网络开启情况下工作电流一般能达到16 mA以上，所以进一步降低系统的平均功耗需要设计系统的低功耗工作模式。

2 基于“唤醒-侦听”的低功耗工作模式

CC1110具有4