基于CC2420的无线传感器网络节点的设计

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。

3.4 设计要点

无线传感器网络应用的特殊性要求其节点体积越小越好，因此在元器件的选择上当然是选择同类型中体积最小的。但是节点体积越小，在设计电路板布线时可能会因为线路间距离太小而产生十扰，因此抗干扰设计是节点设计时的重点问题。可以把电路板设计成4层板。顶层布信号线，主要是传输通过天线接收和发送的信号。该层空白区域用金属层覆盖，并通过几个孔接地；第2层可以布数据线，将用于节点内部数据传输的线路都布置在这一层；第3层布供电线路；第4层作为接地层。各元件的接地引脚应使用单独过孔，尽量靠近封装引脚接地，去耦电容也应尽量靠近电源脚放置，并通过单独过孔接地。同时，为了抗电磁干扰，最好把数字电源和模拟电源、数字地和模拟地隔离开来，一般可采用0 Ω电阻或磁珠来进行隔离。

4 节点的优势

选择CC2420作为无线收发芯片的一个显然的优势就是它工作于ISM免执照频段。此外，由于芯片采用了休眠模式，使其具有超低能耗和以年计算的寿命。由于芯片的成本低，因此也就更符合传感器网络需要大量分布节点的特点。再者，芯片已经集成了CRC和数据完整性检查等功能，这就相对减少了程序员编程的工作量，而且硬件处理速度一般都快于软件处理速度，因此加快了通信的速度，减少了能量消耗。同时，芯片还采用了CSMA-CA技术来避免数据发送时的竞争和冲突，减少了一部分不必耍的能量消耗。

5 结束语

近几年，无线传感器网络越来越受到人们的重视，尤其随着集成电路和无线通信技术的飞速发展，无线传感器网络节点越来越少，能耗越来越少，适用范围越来越广。Zigbee协议是由Zigbee联盟开发的一种针对短距离、低速率、低功耗应用的无线通信协议，于2004年12月正式获得批准。CC2420是Chipcon公司开发的全球首块符合Zigbee标准的无线收发芯片。基于CC2420的无线传感器网络节点具有成本低、能耗小等特点，而这些特点正是传感器网络研究中最为重视的热点，因此，该设计方案有广阔的应用前景。