傳感器是無線傳感器網絡的基本單元，是無線傳感器網絡的基礎。針對傳感器節點低功耗、低成本、體積小等硬件限制，設計了一種基于射頻芯片CC2420和單片機MSP430的無線傳感器網絡硬件節點。
硬件節點設計
在設計無線傳感器節點時，需要考慮以下特點:小型化，傳感器節點在應用中的高集成度，保證目標系統的特性不會受到影響，由于外部尺寸的限制，模塊必須能夠集成更多的元件；低功耗，網絡經常部署在無人值守的地方，節點由電池供電，不能頻繁更換電池。因此，如何節約電能是應用的首要問題；運行速度，網絡對節點的實時性要求高，對處理器的實時處理能力要求強；接口，多功能傳感器產品是發展趨勢，但在早期設計中，不可能囊括所有功能，這就要求系統具有很強的可擴展性；可靠性，傳感器網絡可以分布在很廣的區域，維護難度很大，傳感器網絡的軟硬件必須具有很高的健壯性和容錯性；盡可能低的成本。
基于以上考慮，本文設計的傳感器節點框圖如圖1所示。
該傳感器由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源模塊組成。該方案采用以MSP430為核心的控制模塊。MSP430具有出色的低功耗性能和在惡劣條件下穩定的工作性能。MSP430采用CC2420作為無線收發模塊，通過SPI與CC2420通信，MSP430采用主機模式，CC2420采用從機模式。節點的傳感器模塊與主板分離，模塊化設計提高了節點在不同應用中的靈活性。因為這個節點是給電池供電的，所以要求傳感器體積小，功耗低，外圍電路簡單，所以最好使用數字傳感器，不需要復雜的信號調理電路。
主要芯片介紹
CC2420
CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的無線收發器芯片。該芯片體積小、功耗低，非常適合家庭和樓宇自動化、工業監控等應用系統。
CC2420有一個完全集成的壓控振蕩器，只需要天線和16MHz晶振等少數外圍電路就可以工作在2.4GHz頻段。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過該接口可以完成設置和數據發送與接收。許多單片機都集成了SPI控制器，如MSP430，可以方便地與CC2420配合使用。簡單的外圍電路和處理器接口使CC2420適用于非常便宜的設備。
MSP430
CC2420和MSP430
硬件接口電路
CC2420與處理器的連接非常方便。它使用SFD、FIFO、Fiop和CCA四個引腳來指示發送和接收數據的狀態。處理器通過SPI接口與CC2420交換數據和發送命令。
接收到物理幀的SFD字段后，CC2420將在SFD引腳輸出高電平，直到接收到該幀。如果啟動地址識別，地址識別失敗后，SFD引腳立即轉為輸出低電平。FIFO和FIFO引腳指示接收FIFO的緩沖狀態。如果接收FIFO緩沖器中有數據，FIFO引腳輸出高電平；如果接收FIFO緩沖器為空，FIFO引腳輸出低電平。當接收FIFO緩沖器中Fiop引腳的數據超過某個臨界值時，或者CC2420接收到一個完整的幀后，輸出高電平。臨界值可以通過CC2420的寄存器設置。
當通道中有信號時，CCA引腳輸出高電平，該信號僅在接收狀態下有效。在CC2420進入接收狀態至少8個符號周期后，CCA引腳才會輸出有效的信道狀態信息。
SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引腳組成。處理器通過SPI接口訪問CC2420的內部寄存器和存儲器。在訪問過程中，CC2420是SPI接口的從器件，它接收來自處理器的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執行輸入/輸出操作。接收或發送數據時，SPI接口與時鐘的下降沿對齊。CC2420和MSP430通過SPI連接，其中MSP430處于主機模式，CC2420處于從機模式。MSP430還有4個I/o連接到CC2420，主要起到查詢CC2420狀態的作用。CC2420與MSP430之間的接口電路如圖2所示。
節點設計的要點和注意事項
設計節點時，重點是射頻部分。CC2420要求時鐘源的精度在40ppm以內。本文采用高精度、性能穩定的四引腳片式晶振來避免晶振的漂移。
在設計電路板時，應采取抗干擾措施:射頻電路不用于布線的區域應填銅并接地，以提供射頻屏蔽，達到有效抗干擾的目的；CC2420芯片底部要接地；為了減少延遲、串擾，保證高頻信號的傳輸，CC 2420芯片底部與接地層之間要使用多個接地過孔連接。器件應緊密分布在CC2420周圍，應使用更小的封裝。
另一個考慮因素是天線。天線在無線通信中起著重要的作用，天線的選擇和設置將直接影響整個無線通信網絡的運行質量。這個節點射頻芯片CC2420可以使用兩種設計方案:金屬倒F PCB引線天線和單極天線。PCB引線天線是印制在電路板上的導線，通過它可以感應空無線電波，接收信息。PCB天線的形狀和尺寸應嚴格按照數據手冊進行設計。
軟件設計
軟件開發基于IAR Workbench V2.10，用C語言編寫。軟件編程的基本思路是:首先初始化SPI和CC2420控制端口；啟用SPI和UART端口，啟用ADC，初始化CC2420芯片；打開接收器后，您可以運行任務程序來接收或發送數據。
編輯:gt
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