CC430F5137的低功耗無線數據采集節點設計

韓進，齊乃寶

（山東科技大學信息科學與工程學院，青島266590）

引 言

隨著集成電路、無線通信技術和嵌入式技術的發展，無線通信網絡也應運而生，無線傳感網絡具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點。

傳統的無線射頻通信模塊體積大，需要控制芯片來控制射頻模塊，這就增加了設計的成本，而且可移動性不好。

半導體技術的不斷進步使處理器芯片可以被集成為體積很小的一塊，而價格變得更便宜，專用的無線網絡芯片和技術也得到發展。文中采用了TI公司的CC430F5137設計并實現了一種應用于無線網絡中的節點模塊。CC430F5137是一款內部集成了射頻核的芯片，它內置了CC1101射頻核，使用單顆芯片就可以完成數據的采集、處理、發送與接收，使電路板的體積可以變得更小、更便宜。為了實現網絡節點的低功耗設計，本文采用了射頻模塊的無線喚醒（WOR）功能。同時，利用射頻核的空閑信道評估（CCA）功能改進了射頻發送的算法，提高了多節點向中繼器模塊發送數據時的準確性。

1 總體設計方案

無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成的網絡。它是由大量的靜止或移動的傳感器以自組織和多跳的方式構成的無線網絡，以協作的方式感知、采集、處理和傳輸網絡覆蓋地理區域內被感知對象的信息，并最終把這些信息發送給網絡所有者。無線傳感器網絡主要實現了數據的采集、處理和傳輸三種功能［1]。

傳感器網絡節點一般受到工作環境的影響，功耗問題是要首先考慮的。考慮到低功耗要求的設計，節點設備的主控MCU選擇CC430F5137，利用它內置的射頻通信模塊進行射頻通信。由于其低功耗的特點可采用電池供電。軟件部分利用CC1101的無線喚醒功能，能更好地降低系統功耗。

無線傳感器網絡中可以掛接多個節點設備，而每個節點設備的地址必須唯一。本文設計的節點設備采用撥碼開關來設置每個節點設備的地址，確保每個節點都有一個唯一的地址。通過SPI接口或I2C總線接入傳感器器件，可以靈活地接入不同型號的傳感器器件，以達到測試不同物理量的要求。節點的系統結構如圖1所示。

圖1 節點系統結構圖

2 節點硬件設計

2.1 節點電路總體設計

CC430F5137的供電電壓范圍為1.8～3.6V，選程度用兩節7號電池來提供3V的直流電壓。配合軟件的設置可以最大程度地降低功耗。系統的關鍵部分是射頻發送利用一個射頻的天線模塊，可以保證射頻通信的穩定性，此無線模塊由芯片的RF＿N和RF＿P兩個引腳接入。另外根據射頻發送的需要，接入一個26MHz晶振。

CC430F5137的P1.5、P1.6、P1.7引腳可以用于串口通信和SPI通信，使用這三個引腳作為串口調試，另外P1.1、P1.2、P1.3引腳可以用于SPI和I2C總線通信，這三個接口用來預留連接傳感器的芯片。系統的主電路圖如圖2所示。

圖2 節點系統主電路圖

2.2 地址設定電路

為了使每個節點的地址唯一，采用8位的撥碼開關SW進行地址設定。如圖3所示，可以由撥碼開關來設定終端節點的地址，可以設定255個不同的地址，每一個終端節點作為從設備向中繼節點發送數據，然后由中繼節點發送到用于網絡管理的主控MCU，完成無線傳感器網絡數據的傳送。

3 節點軟件設計

3.1 程序主流程

圖3 地址設定電路

在節點系統軟件的設計過程中，對幾個重要寄存器進行配置，主要進行配置的寄存器有載波頻率寄存器、數據速率寄存器、載波監聽設置絕對閾值寄存器、射頻發送和接收的數據包長度寄存器和地址檢測開啟寄存器。其他的寄存器配置可以參照TI公司提供的SmartRF Studio軟件，它是專門用于配置射頻通信相關的寄存器，本設計中采用SmartRF Studio 7對CC430F5137的寄存器進行配置。配置射頻發送的載波頻率為433MHz，通信的數據速率為2.4kbps.并且使能地址檢測功能，每一個節點都有唯一的地址。當節點接收到的數據包中沒有和自身地址相匹配的內容，則節點設備就不會接收該數據包，不對其作處理。只有發送來的數據包與節點地址相對應時，節點才能接收并處理數據，這就有效地防止了中繼器節點向不同的節點發送數據時會被多個節點收，可以有效地傳送數據。圖4為整個程序的主流程圖。

當系統一上電，則會做相應的初始化操作，比如串口、I2C總線，并對射頻模塊的各個寄存器進行配置，初始化功率放大表等。

系統初始化完畢后，系統會向中繼器節點主動發起連接請求，把自己的節點地址告訴中繼器節點，為以后的中繼器節點和終端節點之間的數據傳送做準備。發送完請求連接后，節點會等待中繼器節點的應答，如果沒有應答，節點會繼續請求連接，直到收到應答后再進行下一步的處理。

圖4 傳感器節點主程序流程圖

3.2 無線喚醒功能

為了更好地降低系統能量消耗，采用CC1101的無線模塊喚醒功能（WOR），當系統請求連接成功后，就會進入無線喚醒模式，此時系統處于睡眠狀態。在此模式下功耗極低，可達到2.0μA［3]。射頻內核可以通過軟件編程設置每隔一段時間喚醒，醒來后系統處于射頻接收狀態，如果這時檢測到有數據包發送過來，那么系統就會退出無線喚醒狀態，轉入正常的狀態去處理接收到的數據包。如果沒有檢測到數據包，系統則會繼續睡眠然后再重復地醒來檢測，這樣就保證了在不需要數據傳送的情況下，最大限度地節約能量消耗。圖5為系統處于無線喚醒狀態的程序流程圖。

圖5 無線喚醒模式下的程序流程圖

3.3 射頻發送函數的改進

CC430F5137內嵌的射頻模塊具有空閑信道評估（CCA）功能，當開啟空閑信道評估功能時，只有在信道空閑的時候才能進入發送狀態，如果檢測到信道忙，則會一直保持在接收狀態。

為了確保本節點向中繼器節點發送數據的準確性，以及提高多個中斷節點同時向中繼器節點發送數據時的抗干擾性，采用射頻模塊的載波監聽功能，并結合使用空閑信道評估功能改進了射頻發送函數。改進后的發送函數如下：

4 實驗驗證與分析

根據設計的電路圖，制成電路板后，燒入編寫好的測試程序。為了方便驗證，實驗時采用直流電源供電，為電路板提供3.0V電壓，然后把萬用表串聯接入，分別測量休眠、接收和發送三種狀態下的電流消耗。表1是測試結果。

表1

由表1可以看出，系統在休眠狀態下的電流消耗僅為2.3μA，由于發送數據量的不同，發送狀態下的電流消耗會因為數據包的長度而不同，發送數據包越大，電流消耗越大。CC430F5137在最大輸出功率時，433MHz下最大的電流消耗是30mA［2]。系統從睡眠狀態轉入接收狀態時的電流消耗為15mA，從實驗結果可以看出，采用無線模塊喚醒功能可以有效地降低系統功耗。

結 語

本文利用TI公司的CC430F5137芯片，采用射頻通信技術設計的無線數據采集節點，這種設計可以大大地減小系統的體積。本系統可以采集各種各樣的信號，能將采集到的數據安全穩定地傳送到中間數據采集點。設計中載波監聽功能和信道空閑評估功能改進的射頻發送函數，可以有效地提高多個節點同時發送數據時的抗干擾性。

［1] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡［M] .北京：清華大學出版社，2005.

［2] Texas Instruments.CC430Family user’s guide.2013.

［3] Texas Instruments.CC430F5137，2010.

［4] 張彪，胡慧.基于MSP430F2274的無線數據采集節點的設計［J] .傳感器世界，2009（1）.

［5] 童亞欽，紀春國.基于CC1101的分布式節能測控網絡設計［J] .單片機與嵌入式系統應用，2010（12）.

［6] 李建業.基于CC430的無線傳感器網絡節點研究與設計［D] .秦皇島：燕山大學，2012.

［7] 解子亮.分布式無線數據采集的實現［D] .合肥：中國科學技術大學，2011.

［8] 黃向驥.基于CC2430的無線智能家居系統的設計［D] .武漢：武漢理工大學，2010.