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引言 無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是集信息采集、信息傳輸、信息處理于一體的綜合智能信息系統，由部署在監測區域內大量的廉價微型傳感器節點組成。它是通過無線通信方式形成的一個多跳自組織網絡，具有低功耗、低成本、分布式、自組織、快速展開、抗毀性強等特點。無線傳感器網絡能夠實時監測系統并及時反饋信息，以實現復雜的指定范圍的目標檢測與跟蹤，具有廣闊的應用空間。本文介紹使用LM3S1138微控制器和CC2420無線射頻芯片構建無線傳感器網絡節點的方法，并說明了如何實現點對點的通信傳輸。 1 硬件節點設計 1．1 網絡節點設計 無線傳感器網絡由網絡中的多個網絡節點構成。用模塊化的設計方法，節點的硬件由微控制器模塊和無線射頻模塊組成。其中，微控制器模塊包含處理器核、數據存儲電路和A／D轉換器等，根據不同的需求還可以連接其他傳感器模塊。網絡節點硬件結構如圖1所示。 
1．2 LM3S1138微控制器 微控制器選用Luminary公司的LM3S1138。它采用32位RISC結構的Cortex-M3處理器核，具有64 KB單周期Flash，16 KB單周期訪問的SRAM，4個通用定時器模塊(GPTM)(每個提供2個16位定時器)，16位ADC事件觸發器，兼容ARM FiRM的看門狗定時器，2個同步串行接口(SSI)，3個完全可編程的16C550型UART(支持IrDA)，3個獨立集成的模擬比較器，2個I2C 模塊，9～46個GPIO(具體數目取決于配置)，片內低壓差(LDO)穩壓器(具有可編程的輸出電壓，用戶可調節的范圍為2．25～2．75 V)，遵循IEEE 1149．1—1990標準的測試訪問端口(TAP)控制器(通過JTAG和串行接口進行調試訪問，完整的 JTAG邊界掃描)，6個復位源，以及可編程的時鐘源控制(可對單個外設的時鐘進行選通以降低功耗)。Cortex-M3是ARM公司為要求有快速中斷響應能力的深度嵌入式應用而設計的一款低功耗嵌入式處理器。它具有門數少、中斷延遲短、調試成本低的特點，采用ARMv7-M架構，是一個可綜合、高度可配置的處理器。Cortex-M3包含一個高效的哈佛結構三級流水線，可提供1．25 DMIPS／MHz，工作頻率為50 MHz，采用兼容Thumb指令的Thumb-2指令集以獲取更高的代碼密度。它采用硬件除法和單周期乘法；集成嵌套向量中斷控制器(NVIC)，34個中斷具有8個優先級；帶可選的存儲器保護單元(MPU)，提供特權模式來保護操作系統的功能；非對齊式數據訪問使數據能夠更為有效地安置到存儲器中；精確的位操作(bit-banding)不僅最大限度利用了存儲器空間，而且還改良了對外設的控制。本文的硬件平臺選用以LM3S1138為主控芯片的 EasyARM1138開發板。 1．3 CC2420無線射頻芯片 CC2420無線射頻芯片是Chipcon公司開發的符合ZigBee標準的2．4 GHz射頻芯片。該芯片是面向于低功耗設計的兼容ZigBee協議／IEEE 802．15．4標準的產品，提供擴展的硬件來實現信息處理、數據緩存、突發傳輸、數據加密解密、數據識別、通道空閑確認、連接質量評估和包時間信息等特性。這些特性減輕了主機的負擔，使得CC2420可以與一個低速低價的微控制器進行連接，而通過SPI接口可以很容易地對CC2420進行控制和數據訪問。 1．4 LM3S1138與CC2420的硬件連接 根據周立功公司EasyARM1138開發板用SSI口模擬SPI的特點和CC2420的工作原理，LM3S1138與CC2420的硬件連接如圖 2所示。由于CC2420模塊使用SPI接口與主機進行通信，而EasyARM1138中使用SSI接口來模擬SPI進行傳輸，在開發板上SSI口提供的幀格式中，選用SPO=0和SPH=0時Freescale SPI的幀格式。但是此幀格式中，片選信號SSIFss不符合CC2420模塊的SPI通信規則，所以選擇了另一個引腳模擬SPI片選信號，即 PD3／U1Tx引腳。
2 IEEE 802．1 5．4標準 IEEE標準委員會在2000年12月份正式批準并成立了802．15．4工作組，任務就是為了滿足低功耗、低成本的無線網絡要求，開發一個低數據率的WPAN標準。IEEE802．15．4是基于標準的協議，它為無線傳感器網絡應用提供所需要的網絡基礎設施；具有復雜度低、成本低、功耗低的特點，能在低成本設備之間進行低數據率的傳輸。該標準滿足國際標準組織(ISO)開放系統互連(OSI)參考模式，包括物理層、媒體訪問控制層、網絡層和高層。IEEE802．15．4定義了物理層(PHY)和媒體訪問控制層(MAC)，協議結構如圖3所示。 3 通信軟件設計 3．1 總體設計 CC2420模塊使用SPI接口與主機進行通信，因此本設計中以EasyARM1138開發板作為主機，CC2420模塊作為從機，分別作為發送端和接收端。先在開發板上通過SPI引腳對CC2420進行初始化；再對CC2420芯片內部的寄存器進行相應的配置，以及定義通信中使用的數據格式；最后設置好信道后啟動發送。 3．2 發送端和接收端軟件設計 要實現點對點的通信就是要實現發送端和接收端的功能，使兩個節點間可自由地交換信息。下面就主要介紹其實現的方法。 ．2．1 發送端和接收端程序流程 發送端和接收端程序流程分別如圖4和圖5所示。
3．2．2芯片初始化配置 在使用CC2420進行無線數據傳輸之前，必須根據需要進行一些配置。使能SPI后，由微控制器發送命令給CC2420，這些命令通過模擬的SPI 接口傳送到CC2420。通過這種方式，用戶可根據需要來配置寄存器的值，選擇是否使用地址認證、安全認證等功能，同時還需要設置好發送和接收的頻道。在 2．4 GHz下提供有16個可選頻道，初始化程序如下：
3．2．3 發送端和接收端程序實現 從程序流程中可以看出，發送端和接收端都需要先初始化引腳和芯片，等待CC2420晶振起振后，根據程序的需要來進行寄存器的配置。發送端，需要先通過微控制器的SPI接口把需要傳送的數據發送到CC2420的TXFIFO中緩存起來，這需要根據自定義或IEEE 802．15．4定義的幀格式來發送，緩存好數據后就可以啟動發送了。本設計采用IEEE標準的幀格式，在幀結構中Preamble Se-quence、SFD以及FCS在發送時由硬件自動生成。其幀格式如圖6所示。
接收端在初始化和配置寄存器等準備就緒后就可以啟動接收。當接收端檢測到發送的幀中的幀開始分割符SFD后開始接收，接收的數據存放在RXFIFO 緩存中。發送端的發送函數：
結語 本設計采用LM3S1138微控制器與CC2420無線射頻芯片連接，利用CC2420的無線傳輸功能實現了點對點的數據傳輸。設計中僅使用IEEE 802．15．4標準對PHY層和MAC層進行了實現，還可以把ZigBee協議移植到開發板上，用ZigBee協議來管理實現星型、簇狀或者網狀拓撲結構的網絡，擴展多個節點，將此無線傳感器網絡應用到環境、醫療、家居、工業和商業等領域。 參考文獻 1. Luminary Micro,Inc.LM3S1138微控制器數據手冊,2007. 2. 呂治安.ZigBee網絡原理與應用開發[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008. 3. 李文仲,段朝玉,等.ZigBee2006無線網絡與無線定位實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008. 4. Texas Instruments.CC2420 Data Sheet,2006. 5. 李善倉,張克旺.無線傳感器網絡原理與應用[M].北京:機械工業出版社,2008. 作者：北京理工大學 徐琰 馬忠梅 來源：《單片機與嵌入式系統應用 》 2009（10） |
