摘要：本文将对新型WSN节点构建所用的低功耗RF 型无线传感器CC1100特征及其WSN相关应用作举例分析说明.
 
关键词：无线传感器网络；RF；ZIGBEE技术；
 
无线传感器网络（WSN）是当今是大量无处不在的的新技术之一，具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设在无人值守的监控区域内，并构成能够根据环境自主完成指定任务的智能测控网络系统.之所以能成为当今世界的十大新技术之一，其最大特点是：提供了完整无线传感器网络系统方案，即它包五个独立网络感应点，另外两个带功放ZigBee模块作长距离应用(>1km)，又可选择不同的网络协议，如点对点，星状、树状、ZigBee专用网状等等，不受限制的开发环境，可直接通过连线或无线方法来作软件更新，提供USB to UART接口转接线、天线、开发应用文件。

无线传感器网络具体地由大量微型传感器节点通过无线自组织方式构成的网络(见图1所示)，它集成了传感器、微机电和无线通信三大技术，能够实时地感知采集和处理网络覆盖范围内的对象信息，并发送给使用者，具有覆盖区域大、可远程监控、监测精度高、布网快速和成本低等优点.图1为无线传感器网络其本架构示意.

图1为无线传感器网络其本架构示意图
 
因而无线传感器网络应用于航天、航空、国防、电力、能源、环境、医疗、灾难预警、空间探索等领域。具体的应用方案如下：

*智能大厦及家居自动化，包含冷暖空调监控和光度及湿度感测与草坪及花园灌溉控制.
 
*个人健康护理，包含医疗数据监察和医院及护老院病人活动范围监控。
 
*工业控制，包含自动抄表和餐厅点菜机与环境安全防护监控。
 
*消费电子， 包含无线遥控灯制和无线门锁与家庭中央遥控。
 
既然如此，本文将对WSN节点构建所用的CCll00无线传感器与16位超低功耗单片机 MSP430F2012等芯片特征及其WSN相关应用举例作分析说明。
 
1、WSN节点构建特征
 
1.1WSN节点有何独特要求
 
*WSN节点功能
 
从图1看出，无线传感器网络系统通常包括若干传感器终端节点，一个sink节点和一套后监控软件，其中传感器终端节点具有本地数据采集传输和转发邻节点数据的双重功能，可以在后代管理软件和sink节点的控制下采集数据，并将数据经过跳路由传输到sink节点， sink汇聚节点是网络的中心，具有协调和网关的作用，负责网络配置、管理和数据的汇聚并负责与用户PC机后台管理软件的通信.
 
*WSN节点独特要求.
 
WSN的应用环境多样，存在所接前端探测器不相同、布设环境不一样的可能。特别在随机布设时，各个节点所处的位置及相隔的距离无法预先确定。探测器的不同及对数据处理方式不同，产生的数据量可能不同。同时，布设的环境可能为城区、郊区、山地等不同环境。要在多变的传输需求和环境下实现良好的通信，传感网节点必须具有良好的环境适应性，即可以通过调整自身的通信参数满足不同传输要求。因此需要WSN节点具有相当的灵活性。
 
然而由于WSN节点采用随机散布的方式，故存在着功耗受限、通信能力受限、计算能力受限、存储能力受限等问题，因此对构建提出了较高要求
 
1.2 WSN节点构建方案
 
目前在WSN节点的构建上有多种.
 
其一、以数字信息处理器（DSP）为核心与外围设备构建. 其硬件平台组成如图2所示..它是将信息处理模块与通信模块隔离开来，分别采用不同的硬件进行处理，通信模块基本采用现有成熟产品。该构建方案中的WSN节点可实现传感探测信息处理、协议控制、处理后的信息发送及接收等功能。该硬件平台采用DSP作为主要的信息处理平台及系统运作控制器，DSP软件存储于FLASH中(包括协议控制模块、信息处理模块和通信处理模块等)，通过DSP启动相应的硬件电路及调用不同的软件模块来实现系统功能。图2为信息处理器(DSP)与通信模块隔离开来构建WSN节点方案
 

图2
 
需指出的是本方案选用Blackfin533作为主要的数字处理器。ADl公司的Blackfin系列DSP是基于微信号体系结构的DSP，是专为满足嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的16到32位嵌入式处理器。它将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起，能够同时满足信号处理和控制处理应用的需求，从而极大地简化了硬件和软件设计。其处理速度快(ADSP-BF533处理速度可达750MHz)、功耗低的特点更适合WSN应用。
 
其二、采用由MSP430和CC1100构成的无线传感器网络节点（见图3所示.）
 
该类WSN节点特征为：无线传感器网络端节点的硬件一般包括主机控制处理单元、无线传感器器、传感采集单元和电源供应单元，其中MSP430系列处理单元负责控制传感器节点的操作以及数据的存储和处理；传感采集单元（如温湿传感器）负责监测区域内信息的采集， 无线传感单元负责节点间的无线通信；电源供应单元负责为节点供电. sink节点功能更多，除包含上述功能之外，还包含与后代监控通信的接口单元.
 

图3
 
本处理单元用1 6位超低功耗单片机MSP430系列，无线传输器用低功耗CC1100， 传感采集单元用温湿度传感器(如DHT90)，电源模块采用二节7号电池.此处考虑到很多数据具有时间相关性. 本设计还加入了实时时钟(如DS1377)构成时间控制单元..
 
在此着重对作为无线处理单元(或称无线收发单元)为什么要采用无线传感器CC1100作分析.
 
2、基于ZIGBEE技术的低功耗RF 型CC1100芯片是WSN中无线处理单元理想选择
 
2.1 ZIGBEE技术架构 
 
Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗、低成本、低复杂度的近程无线网络通信技术无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于近距离无线连接.它具有以下优势：
 
*低成本，通过大幅简化协议(不到蓝牙的1／10)，降低了对通信控制器的要求。
 
*低速率。ZigBee工作在20-250kb／s的较低速率，分别提供250kb／s(2．4GHz)、40kb／s(915MHz)和20kb／s(868MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
 
*近距离。传输范围一般介于10～100m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1—3km。这指的是相邻节点间的距离。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。
 
*短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3-10s、WiFi需要3s。
 
*高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AESl28)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
 
2.2低功耗RF 型无线传感器CC1100特征与应用
 
2.21 CC1100的多通道射频收发机特性与应用：
 
*特性：
 
·低工作电压为1．8～3．6V，工作频率为300～348MHZ、400～464MHZ、800～928MHZ，而调制方式为GFSK／2—FSK／MSK／OOK可选，通信模式为双向半双工通信，其通讯波特率为1．2～500Kbps，发射功率与接收灵敏度均为<-110dBm(可配置);发射电流为<30mA，接收电流：<1 6.5mA，而静态电流最低为0.4µA.
 
·微发射功率：最大发射功率为10dBm；ISM频段工作频率，无需申请频点：载频频率430—438MHz；高抗干扰能力和低误码率；透明的数据传输；多速率：提供1200bps、2400bps等多种通信波特率；低功耗及休眠功能分别为接收电流<16mA与发射电流<30mA及，休眠时电流仅为<10μA双接口方式，TTL电平的UART接口和标准的RS-232接口可选
 
* CC1100应用电路示意见图3所示.

图3 为CC1100应用电路示意图
 
2.22 CC1100构建高性能RF无线数据传输技术方案应用例举
 
无线通讯模块采用透明模式进行通讯，即所收即所发，具有通讯距离远、低功耗、接口灵活等优点，使用者无需编码和控制。采用单片射频集成电路及单片机MCU的无线模块，外围电路小，但可靠性高，故障率低，方便模组，应用广泛，适合一般有线系统的升级置换，如用于水、气、热、电计量表具无线远传自动抄表，无线温湿度控制，设备监控等。具有CC1100特性外其通信距离(视距)大于300米，工作电压为+3．0V。图4为高性能RF无线数据传输技术方案框图.
 

图4为高性能RF无线数据传输技术方案框图
 
2.3无线传感器CC1100在WSN中的应用-与主机控制处理单元的连接
 
而CC1100与单片机MSP430F1611作为主机控制处理单元的连接.采用了SPI接口连接，原理如图5所示. SPI接口技术是一种高速、高效率的串行接口技术，主要用于扩展外设和迸行数据交换.
  

图5
 
3、无线传感器网络方案中传感采集和电源供应等单元作说明
 
3.1数据采集单元
 
WSN节点的数据采集单元可以根括据实际需要和被测物理信号特征选择合适的传感器，如光照、压力、振动、湿度、温度、土壤盐碱等.该数据采集单元.例采用数字温度传感器，它集成了温度/湿度传感器、信号放大调理器、A/D和总线接口，能够迸行全标准输出，可以直接提供-40℃到+120℃范围、分辩率为14位、湿度在0—100% RH范围、分辩率为12位的数字输出.
 
3.2时间控制单元. 时间控制单元用于设置化记录数据采集的时间，以便后代用户能够依靠采集时间对数据迸行处理.可用串行实时时钟芯片(如用DS1337芯片)作为时控单元可以工作在1.5-5.5V低功耗，在休眠模式下仅需15µA.
 
3.3 电源供应单元，二个7号电为整个系统供电.
 
3.4串口通信单元.网络中只有sink节点才包含串口通信单元，终端节点无需串口通信单元.. sink节点主机控制处理单元MSP430-F1611通过串口通信单元与后台监控主机通信. sink节点通过串口通信模块可以将自身收集的全网信息数据传递给后台监控主机.
 
4、由MSP430和CC1100构成的无线传感器网络应用例举
 
4.1远程唤醒无线传输模块
 
该远程唤醒无线传输模块采用1 6位超低功耗单片机MSP430F201 2为核心，结合Chipcn　公司的CCll00无线传感器实现远程唤醒无线数据透明传输。其超低功耗优势可使得无线模块静态功耗小于5µA，内部集成应用灵活方便的定时器TimerA可使得与外部主机实现UART数据通讯，内置的RAM存贮器可实现无线数据缓存，带中断功能的I/O口可实时响应GD00(无线数据收发完成)中断，Timer-A定时启动主动接收无线传感器数据，无需主机控制数据接收发送。该方案采用8E1通信数据格式、433MHZ工作频率、29fha发射电流、15mA接收电流、10dBm发射功率、-110dBm接收灵敏度、小于5µA静态功耗、大于300m空旷通讯视距，使用者无需编码和控制，实时通过UART接口接收和发射相应数据即可。
 
图6为用MSP430F201 2与CCll00无线传感器构建的远程唤醒无线传输模块组成示意图.
 

图6
 
远程唤醒无线传输模块具有功耗低、体积小、接口灵活方便、误码率低、可靠性高、系统组合简单等特点，可广泛应用于无线AMR数据传输、工业控制、智能家居、安防报警、无线传感器网络等.
 
*MSP430F2012特性：低工作电压范围为1．8～3．6V，其超低功耗具有活动模式(200µA，1MHZ，2．2V)与待机模式(0．5µA)及掉电模式(RAM数据保持模式—0.1µA)；有五种省电模式与从待机模式唤醒不超过1µs；是1 6位RISC精简指令体系，62.5ns指令周期，

有2个带捕获/比较寄存器的1 6位定时Timer—A与通用串行接口USl支持SPI、1 2C接口及10位200KSPS的A／D转换器.
   
4.2无线传感器CC110与MSP430构建的无线环境温湿度监测仪
 
该方案由无线温湿度传感采集端与主机控制二大部份组成.其无线温湿度传感采集端由16位超低功耗单片机MSP430F21X1为核心与CC1100无线传感器构成.而主机控制部份采用以MSP430F41X为核心并结合CC1100无线传感器构成.从而实现低功耗无线环境温湿度监测。
 
该方案的无线传感器CC1100采用CR2032电池或者干电池供电，通过片内比较器参考内部电压参考源定点检测电池电压状况，一端口控制LED进行电压状态指示，MSP430的超低功耗可使得整机静态功耗小于3µA，寿命可达1年以上；温湿度传感器采用SHTl5，通过片内USI读取其温湿度值；MSP430F21X1片内Timer-A1定时器读取温湿度传感器信息通过CC1100无线模块传输给主机控制系统MSP430F41X，同时根据设置的阀值判断温湿度情况是否正常，如有不正常主动控制外部通风设备和加湿设备工作。主机控制器通过CC1100接收到温湿度值后，由MSP430F41X片内LCD驱动器驱动液晶显示各个无线温湿度传感器所在位置的温湿度信息，当温湿值出现异常时端口控制语音报警提示：片内多个带中断10实时响应外部按键查询相关信息，并可以通过按键设置各个无线传感器的温湿度阀值；内置的BOR模块实时监控外部电源，保证单片机正常工作，避免意外情况发生。
 
该方案可靠性高，环境监测准确，可广泛应用药房、仓库、食品库、生产车间等对温湿度要求比较高的场合。图7为无线环境温湿度监测仪设计方案示意图.

图7
 
4.3无线手持集抄终端构建方案
   
该方案的手持机和终端表都采用1 6位超低功耗单片机MSP430F41X为核心并结合CCll00无线传感器实现，是超低功耗无线手持集抄方案的最佳选择。该方案手持机可通过两种方式进行终端表数据集操：其一、自动操表模式，可通过手持机按键选择需要集操的小区，经过CCl100无线传感器依次自动发送终端表ID号和操表命令，依次操取各终端表数据信息; 其二、手动操表模式，可通过手持机按键输入需要操取的终端表ID号，经过CCll00无线传感器手动单个操得终端表信息。终端表利用定时器TimerA的灵活应用优势定时几秒启动无线模块进入接收模式，等待外部手持设备进行数据通讯，单次完成后进入低功耗模式。操表完成后可按键翻页查询相应终端表的数据信息和状态信息，这些信息存贮于大容量EEPROM中，可通过RS232接口或USB接口传输给上位机管理系统进行数据统计和分析。同时手持机可根据各个表的信息对终端表的阀门开关等状态进行控制，真正实现不入户表数据集操和控制。
 
MSP430内部的基本定时器和WDT可设置软件陷阱，保证终端表和手持设备的程序正常运行。内置的BOR模块实时监控外部电源，保证单片机正常工作，避免因外部电源变化大导致的内部闪存或RAM数据改写等情况发生，增强了整个系统的安全。