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基于CC1111的无线传感器网络节点设计

2009-03-19
作者:邓 军1,王伟峰1,王 华1

摘 要:介绍了德州仪器(TI)最新推出的单片无线收发片上系统(SoC)CC1111的结构特点和性能,在此基础上设计了无线传感器网络" title="无线传感器网络" title="无线传感器网络" target="_blank">无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" title="无线传感器网络">无线传感器网络" 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关键词:CC1111;无线传感器网络;节点设计

  无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术等多种先进技术,具有十分广阔的应用前景。无线传感器网络的主体是低成本、低功耗、小体积、高集成度的无线传感器节点。这些节点具有无线通信、数据采集和处理、协同工作等功能,可以随机地部署在工业环境中,通过无线通信的协议栈实现自组织,相互协同地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息。通过嵌入式系统对信息进行处理,并通过随机自组织的无线通信网络,以多跳中继方式,将所感知信息传送到用户终端,使用户完全掌握监测区域的情况并及时做出反应。CC1111与CC1110(低于1GHz的SoC)、CC2511(支持USB的2.4GHz SoC)及CC2510(2.4GHz SoC)实现了引脚和寄存器兼容。CC1111突破性的高集成度与TI的Simplici TI网络协议相结合,可帮助客户开发出最佳的无线传感器网络,同时还能缩小PCB尺寸,降低整体系统成本,加速产品上市进程。本文在TI最新推出的单片无线收发SoC CC1111的基础上设计了无线传感器网络的节点,阐述了CC1111芯片在无线传感器网络节点设计中的应用。
1 CC1111芯片简介
  CC1111是TI推出的首款集成全速USB2.0控制器的1GHz以下的超高频、低功耗RF SoC,去除了RS-232和低速USB的数据传输瓶颈,在PC与RF间建立了快捷的桥接途径。CC1111基于TI的SmartRF04技术,以0.18μm CMOS工艺制成,只需极少的外部元器件,性能稳定且功耗极低,结合了多种器件的优异性能,其中包括TI最佳的RF收发器(CC1101)、增强型8051微控制器等。芯片的高集成度结构使其具有高速度、高灵敏度、低功耗、低成本、集成单片机、同步、频率灵活性等特点。CC1111对外部元件的需求量很低,无须外置滤波器或Tx/Rx开关。所用元件均为低成本、低功耗型(无需大容忍度的无源元件),很容易满足特殊工业环境中低功耗无线应用的要求,包括无线传感器网络、报警与安全系统、自动读表、工业监控、家庭与楼宇自动化以及遥控等。
  芯片主要技术指标如下:
  (1)射频部分:基于CC1101的高性能无线收发器;良好的接收选择性;高灵敏度(-110dBm@1.2kb/s);可编程数据传输率(可以高至500kb/s);可编程输出激励(最高+10dBm);频率范围为300MHz~348MHz、391MHz~464MHz、782MHz~928MHz;支持RSSI/LQI调制。
  (2)低功耗:低电流消耗(接收:16.2mA@1.2kb/s,发送:16mA@-6dBm);睡眠模式下0.3μA的电流消耗(仅外部中断可唤醒);PM2(一种电源模式)下0.5μA的电流消耗(可由外部中断和定时器唤醒)。
  (3)内核及接口:加强型51内核;支持多路DMA;8/16/32KB在系统可编程Flash;1/2/4KB RAM;全速USB控制器;128位AES加密协处理器;8通道7~12位AD转换器;I2S接口;两个串口;支持SPI;16位DSM定时器;3个8位定时器;支持硬件调试;19个IO;兼容CC2510Fx/CC2511Fx。
  (4)其他:宽电压工作2.0V~3.6V;6mm×6mm 36脚QLP小尺寸封装;工作温度范围为-40℃~+85℃,适应任何恶劣环境。
2 无线传感器网络系统
  无线传感器网络是以遥感检测目标信息为主的一种新型无线网络,主要由无线传感器节点组成。典型的无线传感器系统如图1,主要由部署在遥感检测区域内的成千上万个传感器终端节点、汇聚节点(网关或基站)和监控/管理中心及其他外部网络组成。其中,传感器终端节点具有数据采集、传输和转发邻节点数据的多重功能,它与汇聚节点能够自动形成一个自组织、多跳的网络,传感器终端节点周期性或者触发式地采集数据,并将数据经过多跳路由传输到汇聚节点。汇聚节点是网络的中心,具有协调器和网关的作用,负责网络的配置、管理和数据的汇聚,并负责与用户PC机后台监控系统的通信。汇聚节点将汇集的数据转发给后台监控系统,后台监控系统通过对数据的处理与判断,对传感器终端节点进行控制[1]


3 无线传感器网络节点硬件设计
3.1 无线传感器网络节点

  在本设计中,考虑到系统的扩展性和灵活性,无线传感器节点要定义统一、标准的接口,在需要添加新的硬件部件时可以在现有节点上直接添加,同时节点可以按照功能拆分成多个模块,模块之间可以通过标准接口自由组合。在不同的应用环境下选择不同的模块自由配置系统,这样就不必为每个应用都开发一套全新的硬件系统。基于以上考虑,选择了TI最新推出的高集成度的无线SoC CC1111。CC1111芯片在应用方面易于扩展,只需要少许外围元件就可以与传感器相接,也可以通过全速USB2.0的接口与计算机连接。图2为基于CC1111的无线传感器网络的节点设计框架。


  传感器终端节点主要由数据采集模块(由传感器和ADC模块组成)、主控制模块(包括微处理器、存储器、嵌入式操作系统、射频通信模块等)和电源模块组成。汇集节点实现两个通信网络之间数据的交换,实现两种协议栈之间的通信协议转换,它发布管理节点的监测任务,并把收集到的数据转发到外部网络上。它既可以是一个增强功能的传感器节点,也可以是没有监测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备,主要包括数据采集模块、主控制模块、网关接口模块和电源模块。模块之间相对独立,预留接口,便于以后系统的升级和维护,同时也降低了系统成本。实际部署在监测区域内的传感器节点由数据采集模块、主控制模块和电源构成,只有传感器节点充当网关节点和系统维护时才接插网关接口模块。节点一般采用电池供电,一旦电源耗尽,节点就失效了。为了最大限度地节约电源,在硬件设计方面,尽量选用低功耗、高集成度的器件,在节点空闲时切断射频模块电源;在软件设计方面,各层通信协议都应该以提高能量利用率为主,获得更高的电源效率。
3.2 数据采集模块
  节点的数据采集部分可根据实际需要选定参数、性能合适的传感器,例如温度、湿度、压力、加速度等。一般无线传感器网络系统要求传感器体积小、功耗低、外围电路简单,最好采用不需要信号调理电路的数字式传感器。传感器作为获取外部状态信号的一部分,传感器模块通常由传感器探头和变送系统两部分组成,都必须通过传感器接口连接主控制模块。CC1111提供了19个I/O口,便于扩展,连接不同类型的传感器,它们可以对传感器获得的模拟信号进行A/D转换或滤波处理,以达到数据处理和控制模块所能接受的信号形式。传感器的工作原理如下:首先将测得的物理量通过一定的转换机制转换成电信号,然后将获得的电信号通过积分电路、放大电路进行整形滤波处理,最后通过采集电路将处理过的模拟信号转换成数字信号。因此,CC1111芯片适应于各类数据采集情况。
3.3 主控制模块
  本设计采用的主控制模块为TI的SoC CC1111,它结合了多种器件的优异性能,其中包括TI最佳的RF收发器(CC1101)、增强型8051微控制器(每MHz性能可达标准8051性能的8倍)、8/16/32KB的可编程闪存、1/2/4KB的RAM以及全速USB2.0控制器,能够显著提高低功耗无线传感器网络的性能。RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器,支持不同的调制格式,其数据传输率可达500kb/s。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项,能使性能得到提升。CC1111为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。所以,CC1111芯片使原有的微处理器模块和无线通信两大模块的设计只需要一块芯片就可以完成,减小了整个系统的体积,降低了成本和功耗。而且无线收发电路和8051单片机系统有机地整合在同一晶片上,最大限度地减少了单片机数字电路对高频模拟电路的干扰,提高了可靠性。
  CC1111芯片集成了完整的无线收发电路。在接收模式下,相当于一个传统的超外差接收器,射频(RF)输入信号经低噪声放大器(LNA)放大后翻转进入混频器,通过混频器混频产生中频(IF)信号。在IF处理阶段,该信号在送入解调器前被放大和滤波。可选的RSSI信号或IF信号也可通过混频产生于引脚RSSI/IF。解调后从引脚DIO输出解调数字信号,解调信号的同步由芯片提供的时钟信号完成。在发送模式下,芯片内部VCO(压控振荡器)的输出信号直接送入功率放大器,RF输出是由微控制器的数字比特流频移键控形成的。频率合成器产生的本振信号在接收模式时送到混频器,然后在发射模式时馈送到功率放大器[2]
3.4 电源模块
  电能决定整个网络的寿命,节点的电能一旦耗尽,其寿命到期并退出网络,由其余节点重新组网。所以节点的电源管理非常重要。CC1111芯片有四种工作模式:PM0、PM1、PM2和PM3。通过软件编程或硬件复位可以在四种模式下任意转换,有很强的操作性,并具有电源消耗低的特点。此芯片系统同时还支持节电模式下的外部中断触发(可支持所有引脚)唤醒及实时计数器事件触发唤醒。为了延长系统中电池的供电时间,无线传感器节点通常在闲置时快速进入休眠模式,其外设模块(各个传感器功能模块)进入休眠状态,或者电源管理部分不对这些外设模块供电,因此电源管理部分应具有对各个模块是否供电的控制能力,并由CPU 进行控制[3]。另外,由于CC1111芯片同时集成了收发功能和处理功能,提高了电源供电效率。因此,只需使用两节5号锂电池,根据节点工作频率的不同,电池可以工作1~5年而不需要更换。
3.5 PCB和天线的设计
  射频收发产品的PCB布局对整个系统的性能影响很大,为了使用户得到最好的收发性能,TI给用户提供了参考PCB。CC1111的PCB至少为4层板,分别为顶层、中间地层、中间正电源层和底层。为了消除走线间的感性效应,应在PCB上空余的地方尽量多地布置一些过孔,滤波电容也应该尽量靠相应的引脚布置,这样可以得到更好的滤波性能。芯片的接地引脚,距离使用单独过孔的封装引脚越近越好。外围元器件应尽量小,尽量使用体积小的贴片器件。CC1111可使用单极天线、环形天线或螺旋天线。单极天线的长度为波长的1/4,其长度根据L=7125/f计算,其中f的单位是MHz,L的单位是cm;环形天线布在PCB上,使用非常方便,但由于其辐射能力较差,所以接收/发射性能也稍差些;螺旋天线是单极天线和环形天线的一种折衷方案,其尺寸大小和接收/发射能力介于两者之间。
4 无线传感器网络节点软件设计
  无线传感器网络系统的数据传输主要由无线传感器终端节点、汇聚节点和PC机组成,PC机与汇聚节点间通过全速USB2.0接口通信,整个系统的各个部分都是为无线数据传输服务的。所以,在整个系统的软件设计中,无线数据传输是最主要的部分。图3和图4为无线数据传输的发送和接收软件流程。


  无线传感器网络技术具有成本低、无需通讯电缆、不受应用环境限制、组网灵活、重构性强等优点,这就给无线传感器网络技术带来了很大的发展空间。基于CC1111芯片构成的无线传感器网络节点系统可以在多种环境中工作,按各种需要进行配置完成系统功能,并且在成本、空间、功耗、灵活性等方面具有明显的优势,选择的硬件模块显著延长了节点的工作寿命,增加了节点的通信范围,提高了节点的通信速率;同时,由于没有额外增加微处理器的开销和总体功耗,为开发和构造无线传感器网络开拓了新的应用前景。随着MEMS等集成技术的进一步发展和节点的大规模生产,单个节点的成本会很快下降。可以预见,CC1111将会得到越来越广泛的应用。


参考文献
[1] 陈根潮,石江宏,金晓坤.基于MSP430F1611的无线传感器网络终端的设计与实现[J].现代电子技术,2007(7).
[2] 夏芸.CC1010芯片在无线传感器网络节点设计中的应用[J].计算机与自动化技术,2005,31(5).
[3] 王俊生,蔡文澜.基于CC2431的无线传感器网络节点设计[J].国外电子元器,2007(9).

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