基于CC2430的農(nóng)田無(wú)線測(cè)溫節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

三峽電力職業(yè)學(xué)院 張 強(qiáng)

1.引言

農(nóng)田中數(shù)據(jù)采集量很大，利用網(wǎng)絡(luò)可以比較方便地實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸；但如果在農(nóng)田中鋪設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)，一方面不便于農(nóng)田的耕作，另一方面成本較高。近幾年發(fā)展起來(lái)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)由于應(yīng)用成本低、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、數(shù)據(jù)傳輸距離遠(yuǎn)，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。并且，傳感器網(wǎng)絡(luò)所要求的無(wú)線技術(shù)不同于現(xiàn)在已有的一些無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，這種網(wǎng)絡(luò)并不需要太高的傳輸速率，而是在成本和功耗方面有比較苛刻的要求。為了滿(mǎn)足類(lèi)似于溫度、濕度傳感器這樣小型、低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的要求，ZigBee技術(shù)正是為適應(yīng)這種需求而產(chǎn)生的。

2.CC2430簡(jiǎn)介

CC2430芯片為Chipcon公司生產(chǎn)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，是一顆真正的系統(tǒng)芯片（SoC）CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHzISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。

CC2430 SoC家族包括3個(gè)產(chǎn)品：CC2430-F32、CC2430-F64和CC2430-F128。它們的區(qū)別在于內(nèi)置閃存的容量不同，分別為32KB、64KB和128KB，并具有8K的RAM和其他強(qiáng)大的支持特性。CC2430基于Chipcon公司的SmartRF技術(shù)平臺(tái)，采用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，尺寸是7mm×7mm，封裝為48PIN；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別小于27mA或25mA。CC2430適用于那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用，CC2430具有休眠模式和可短時(shí)間轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的能力，使之成為解決問(wèn)題的理想方案。這個(gè)配置可以被應(yīng)用于所有ZigBeeTM的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，包括協(xié)調(diào)器、路由器、設(shè)備終端。

CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：高性能和低功耗的8051微控制器內(nèi)核；集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無(wú)線電收發(fā)機(jī)；優(yōu)良的無(wú)線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性；在休眠模式時(shí)僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA/CA功能；較寬的電壓范圍(2.O～3.6V)；數(shù)字化的RSSI/LQI支持和強(qiáng)大的DMA功能；具有電池監(jiān)測(cè)和溫度感測(cè)功能；集成了14位模數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC；集成AES安全協(xié)處理器；帶有2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART，以及1個(gè)符合IEEE 802.15.4規(guī)范的MAC計(jì)時(shí)器，1個(gè)常規(guī)的16位計(jì)時(shí)器和2個(gè)8位計(jì)時(shí)器；強(qiáng)大和靈活的開(kāi)發(fā)工具。

3.節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)通常由傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。處理器模塊和無(wú)線通信模塊采用CC2430芯片，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設(shè)計(jì)。傳感器模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20。電源模塊采用2節(jié)干電池。節(jié)點(diǎn)的硬件原理框圖如圖1。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of the node

DS18B20是“單總線”數(shù)字溫度傳感器，其測(cè)量溫度范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃，可編程設(shè)定9～12位的分辨率，默認(rèn)值為12位，轉(zhuǎn)換12位溫度信號(hào)所需時(shí)間為750ms（最大）。檢測(cè)溫度由2字節(jié)組成，高字節(jié)MSB的高5位S代表符號(hào)位，如果溫度為負(fù)則S為1，否則為0。低字節(jié)LSB的低4位是小數(shù)部分，中間7位是整數(shù)部分，如圖2所示。

圖2 DS18B20測(cè)溫字節(jié)Fig.2 Temperature measurement bytes of DS18B20

DS18B20與CC2430的通信電路如圖3所示，VDD引腳直接連接外部電源，CC2430的P0.0腳與18B20的數(shù)字輸入/輸出腳DQ相連，DS18B20在空閑時(shí)，其DQ腳由上拉電阻置為高電平。

圖3 18B20與CC2430連接電路圖Fig.3 The interface circuit between 18B20 and CC2430

4.節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

軟件部分需要解決的問(wèn)題包括：溫度信號(hào)采集、ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)、ZigBee通信等。

4.1 溫度信號(hào)采集

溫度信號(hào)的采集可由CC2430芯片內(nèi)部的MCU完成，溫度傳感器DS18B20采用單總線方式和處理器通信，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號(hào)后等待16～60微秒左右，后發(fā)出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。

4.2 ZigBee協(xié)議棧(Z-Stack)

ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。介質(zhì)接入控制子層(Medium Access Control Layer，MAC)和物理層(Physical Layer，PHY)是由IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中定義的兩層。網(wǎng)絡(luò)層(Network Layer，NWK)是由ZigBee聯(lián)盟所定義，主要完成從應(yīng)用層接受數(shù)據(jù)并向其發(fā)送數(shù)據(jù)；應(yīng)用層(Application Layer APL)是ZigBee協(xié)議棧的最高層。應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上。

圖4 ZigBee體系結(jié)構(gòu)Fig.4 ZigBee system structure diagram

ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在一個(gè)OSAL(操作系統(tǒng)抽象層)操作系統(tǒng)上。該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過(guò)對(duì)任務(wù)的事件觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。每個(gè)任務(wù)都包含若干個(gè)事件，每個(gè)事件都對(duì)應(yīng)一個(gè)事件號(hào)。當(dāng)一個(gè)事件產(chǎn)生時(shí)，對(duì)應(yīng)任務(wù)的事件就被設(shè)置為相應(yīng)的事件號(hào)，這樣，事件調(diào)度就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的任務(wù)處理程序。OSAL中的任務(wù)可以通過(guò)任務(wù)API將其添加到系統(tǒng)中，這樣就可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)機(jī)制。OSAL任務(wù)調(diào)度流程如圖5所示。NextActiveTask( )是一個(gè)任務(wù)事件查詢(xún)函數(shù)，返回任務(wù)的事件狀態(tài)ActiveTask。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可通過(guò)ActiveTask的值來(lái)決定是否需執(zhí)行對(duì)應(yīng)的任務(wù)函數(shù)ActiveTask( )。

圖5 OSAL任務(wù)調(diào)度機(jī)制Fig.5 OSAL task scheduling mechanism

4.3 無(wú)線傳感器通信

本小節(jié)以?xún)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信為例，介紹了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方法。完成一次數(shù)據(jù)傳送的程序流程圖如圖6。系統(tǒng)初始化主要是將系統(tǒng)的工作頻率設(shè)為32MHz的晶振頻率，這樣RF才能正常工作。RF初始化時(shí)，先設(shè)置通信頻率，再通過(guò)設(shè)置RFPWR.RREG_RADIO_PD位為1給RF供電。RF初始化的過(guò)程還包括執(zhí)行下面的代碼來(lái)開(kāi)啟Rx，清空Rx、Tx的FiFo緩沖區(qū)以及校準(zhǔn)Radio。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送程序流程圖Fig.6 The flow chart of Data distribution procedures

DMA的初始化階段要為T(mén)x分配1個(gè)空閑的DMA通道。首先要為通道0和通道1～4分別設(shè)置好通道描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的存放地址，并將首地址分別寫(xiě)入DMA0CFGH:DMA0CFGL和DMA1CFGH:DMA1CFGL。再為這個(gè)分配好的DMA通道設(shè)置其描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

當(dāng)設(shè)置為T(mén)x準(zhǔn)備的DMA通道時(shí)，需將數(shù)據(jù)的源地址SRCADDRH:SRCADDRL設(shè)為所要發(fā)送數(shù)據(jù)的起始地址，目標(biāo)地址DESTADDRH:DESTADDRL設(shè)為寄存器RFD的地址0xDFD9。然后，在LENH:LENL中設(shè)置所要發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，并將VLEN設(shè)為0。將WORDSIZE位設(shè)為0，表示DMA數(shù)據(jù)按字節(jié)進(jìn)行傳輸(設(shè)為1表示按字傳輸)。DMA的數(shù)據(jù)傳送模式按照一次觸發(fā)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量可分成四種，由TMODE設(shè)置選擇。本例中采用Block模式，即一次DMA觸發(fā)可進(jìn)行一個(gè)完整數(shù)據(jù)塊的傳輸。CC2430定義的DMA觸發(fā)信號(hào)有31種之多，由TRIG位設(shè)置。將TRIG設(shè)置為0，表示采用無(wú)觸發(fā)模式，這樣DMA在每次接收到DMAREQ信號(hào)后才啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)傳輸。SRCINC和DESTINC分別用于設(shè)置數(shù)據(jù)源地址和目標(biāo)地址的變化方式，可設(shè)為不變、增1、增2或減1。由于采用按字節(jié)的Block模式向Radio發(fā)送數(shù)據(jù)，因此數(shù)據(jù)源地址選擇增1變化，而數(shù)據(jù)目標(biāo)地址則一直為寄存器RFD的地址0xDFD9，故設(shè)為不變。IRQMASK位用于設(shè)置是否在DMA數(shù)據(jù)傳輸完后發(fā)中斷信號(hào)。本例中設(shè)為0，即禁止DMA中斷。M8是按字節(jié)傳輸時(shí)的數(shù)據(jù)寬度，設(shè)為0表示8位傳輸，為1時(shí)表示只傳輸字節(jié)的低7位。本例中設(shè)為0。PRIORITY用于優(yōu)先級(jí)設(shè)置，本例中設(shè)為2，即中等優(yōu)先級(jí)。

DMA描述設(shè)置好后，通過(guò)設(shè)置寄存器DMAARM和RMREQ的位來(lái)準(zhǔn)備相應(yīng)的DMA通道以及啟動(dòng)這個(gè)通道上數(shù)據(jù)塊的傳輸。在啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳輸之前，將當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度、目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址、源節(jié)點(diǎn)地址、標(biāo)志字節(jié)通過(guò)直接寫(xiě)寄存器RFD的方式寫(xiě)入TXFIFO。這樣在啟動(dòng)DMA傳輸后，完整的數(shù)據(jù)幀將被傳輸至TXFIFO。通過(guò)給CSP發(fā)送指令I(lǐng)STXONCCA啟動(dòng)TX傳輸。這就完成了一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。

數(shù)據(jù)接收的過(guò)程同樣需要設(shè)置系統(tǒng)工作頻率為32MHz，且應(yīng)確保Rx工作在Tx相同的頻道上，并設(shè)置DMA通道。其中DMA的數(shù)據(jù)源為寄存器RFD，并將DMA觸發(fā)信號(hào)設(shè)為RADIO，即Radio接收到數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)DMA。數(shù)據(jù)接收的程序流程如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)接收程序流程圖Fig.7 The flow chart of Data reception

5.結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)利用CC2430芯片對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我體會(huì)到ZigBee無(wú)線溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性及其廣闊的應(yīng)用前景，CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片，使得我們開(kāi)發(fā)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)會(huì)更加方便，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期會(huì)大大縮短。

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