传感器是无线传感器网络的基本单元，是无线传感器网络的基础。针对传感器节点低功耗、低成本、体积小等硬件限制，设计了一种基于射频芯片CC2420和单片机MSP430的无线传感器网络硬件节点。
硬件节点设计
在设计无线传感器节点时，需要考虑以下特点:小型化，传感器节点在应用中的高集成度，保证目标系统的特性不会受到影响，由于外部尺寸的限制，模块必须能够集成更多的元件；低功耗，网络经常部署在无人值守的地方，节点由电池供电，不能频繁更换电池。因此，如何节约电能是应用的首要问题；运行速度，网络对节点的实时性要求高，对处理器的实时处理能力要求强；接口，多功能传感器产品是发展趋势，但在早期设计中，不可能囊括所有功能，这就要求系统具有很强的可扩展性；可靠性，传感器网络可以分布在很广的区域，维护难度很大，传感器网络的软硬件必须具有很高的健壮性和容错性；尽可能低的成本。
基于以上考虑，本文设计的传感器节点框图如图1所示。
该传感器由数据采集、数据处理、数据传输和电源模块组成。该方案采用以MSP430为核心的控制模块。MSP430具有出色的低功耗性能和在恶劣条件下稳定的工作性能。MSP430采用CC2420作为无线收发模块，通过SPI与CC2420通信，MSP430采用主机模式，CC2420采用从机模式。节点的传感器模块与主板分离，模块化设计提高了节点在不同应用中的灵活性。因为这个节点是给电池供电的，所以要求传感器体积小，功耗低，外围电路简单，所以最好使用数字传感器，不需要复杂的信号调理电路。
主要芯片介绍
CC2420
CC2420是一款兼容2.4GHz IEEE 802.15.4的无线收发器芯片。该芯片体积小、功耗低，非常适合家庭和楼宇自动化、工业监控等应用系统。
CC2420有一个完全集成的压控振荡器，只需要天线和16MHz晶振等少数外围电路就可以工作在2.4GHz频段。CC2420只提供一个SPI接口与微处理器连接，通过该接口可以完成设置和数据发送与接收。许多单片机都集成了SPI控制器，如MSP430，可以方便地与CC2420配合使用。简单的外围电路和处理器接口使CC2420适用于非常便宜的设备。
MSP430
CC2420和MSP430
硬件接口电路
CC2420与处理器的连接非常方便。它使用SFD、FIFO、Fiop和CCA四个引脚来指示发送和接收数据的状态。处理器通过SPI接口与CC2420交换数据和发送命令。
接收到物理帧的SFD字段后，CC2420将在SFD引脚输出高电平，直到接收到该帧。如果启动地址识别，地址识别失败后，SFD引脚立即转为输出低电平。FIFO和FIFO引脚指示接收FIFO的缓冲状态。如果接收FIFO缓冲器中有数据，FIFO引脚输出高电平；如果接收FIFO缓冲器为空，FIFO引脚输出低电平。当接收FIFO缓冲器中Fiop引脚的数据超过某个临界值时，或者CC2420接收到一个完整的帧后，输出高电平。临界值可以通过CC2420的寄存器设置。
当通道中有信号时，CCA引脚输出高电平，该信号仅在接收状态下有效。在CC2420进入接收状态至少8个符号周期后，CCA引脚才会输出有效的信道状态信息。
SPI接口由CSn、SI、SO和SCLK引脚组成。处理器通过SPI接口访问CC2420的内部寄存器和存储器。在访问过程中，CC2420是SPI接口的从器件，它接收来自处理器的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入/输出操作。接收或发送数据时，SPI接口与时钟的下降沿对齐。CC2420和MSP430通过SPI连接，其中MSP430处于主机模式，CC2420处于从机模式。MSP430还有4个I/o连接到CC2420，主要起到查询CC2420状态的作用。CC2420与MSP430之间的接口电路如图2所示。
节点设计的要点和注意事项
设计节点时，重点是射频部分。CC2420要求时钟源的精度在40ppm以内。本文采用高精度、性能稳定的四引脚片式晶振来避免晶振的漂移。
在设计电路板时，应采取抗干扰措施:射频电路不用于布线的区域应填铜并接地，以提供射频屏蔽，达到有效抗干扰的目的；CC2420芯片底部要接地；为了减少延迟、串扰，保证高频信号的传输，CC 2420芯片底部与接地层之间要使用多个接地过孔连接。器件应紧密分布在CC2420周围，应使用更小的封装。
另一个考虑因素是天线。天线在无线通信中起着重要的作用，天线的选择和设置将直接影响整个无线通信网络的运行质量。这个节点射频芯片CC2420可以使用两种设计方案:金属倒F PCB引线天线和单极天线。PCB引线天线是印制在电路板上的导线，通过它可以感应空无线电波，接收信息。PCB天线的形状和尺寸应严格按照数据手册进行设计。
软件设计
软件开发基于IAR Workbench V2.10，用C语言编写。软件编程的基本思路是:首先初始化SPI和CC2420控制端口；启用SPI和UART端口，启用ADC，初始化CC2420芯片；打开接收器后，您可以运行任务程序来接收或发送数据。
编辑:gt
中承科技为客户提供世界领先的无线射频测试、无线综合测试仪、通信测试仪表、无线通信测量、WiFi6e测试仪、蓝牙综测仪等解决，帮助客户提高产品质量、降低生产成本、提升综合竞争力。
微信公众号