基于CC2430的農田無線測溫節點的設計

三峽電力職業學院 張 強

1.引言

農田中數據采集量很大，利用網絡可以比較方便地實現大量數據的遠距離傳輸；但如果在農田中鋪設有線網絡，一方面不便于農田的耕作，另一方面成本較高。近幾年發展起來的無線傳感網絡由于應用成本低、網絡結構靈活、數據傳輸距離遠，已經在很多領域得到了應用。并且，傳感器網絡所要求的無線技術不同于現在已有的一些無線網絡技術，這種網絡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。為了滿足類似于溫度、濕度傳感器這樣小型、低成本設備無線聯網的要求，ZigBee技術正是為適應這種需求而產生的。

2.CC2430簡介

CC2430芯片為Chipcon公司生產的2.4GHz射頻系統單芯片，是一顆真正的系統芯片（SoC）CMOS解決方案，這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎的2.4GHzISM波段應用對低成本、低功耗的要求。

CC2430 SoC家族包括3個產品：CC2430-F32、CC2430-F64和CC2430-F128。它們的區別在于內置閃存的容量不同，分別為32KB、64KB和128KB，并具有8K的RAM和其他強大的支持特性。CC2430基于Chipcon公司的SmartRF技術平臺，采用0.18μmCMOS工藝生產，尺寸是7mm×7mm，封裝為48PIN；在接收和發射模式下，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的應用，CC2430具有休眠模式和可短時間轉換到主動模式的能力，使之成為解決問題的理想方案。這個配置可以被應用于所有ZigBeeTM的無線網絡節點，包括協調器、路由器、設備終端。

CC2430芯片的主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器內核；集成符合IEEE802.15.4標準的2.4GHz的RF無線電收發機；優良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式時僅0.9μA的流耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統；在待機模式時少于0.6μA的流耗，外部的中斷能喚醒系統；硬件支持CSMA/CA功能；較寬的電壓范圍(2.O～3.6V)；數字化的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能；具有電池監測和溫度感測功能；集成了14位模數轉換的ADC；集成AES安全協處理器；帶有2個強大的支持幾組協議的USART，以及1個符合IEEE 802.15.4規范的MAC計時器，1個常規的16位計時器和2個8位計時器；強大和靈活的開發工具。

3.節點的硬件設計

無線傳感器網絡的節點通常由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片，大大簡化了射頻電路的設計。傳感器模塊采用數字溫度傳感器DS18B20。電源模塊采用2節干電池。節點的硬件原理框圖如圖1。

圖1 節點硬件框圖Fig.1 Hardware diagram of the node

DS18B20是“單總線”數字溫度傳感器，其測量溫度范圍為-55℃～125℃，在-10℃～85℃范圍內，精度為0.5℃，可編程設定9～12位的分辨率，默認值為12位，轉換12位溫度信號所需時間為750ms（最大）。檢測溫度由2字節組成，高字節MSB的高5位S代表符號位，如果溫度為負則S為1，否則為0。低字節LSB的低4位是小數部分，中間7位是整數部分，如圖2所示。

圖2 DS18B20測溫字節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的數字輸入/輸出腳DQ相連，DS18B20在空閑時，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.節點的軟件設計

軟件部分需要解決的問題包括：溫度信號采集、ZigBee協議棧(Z-Stack)、ZigBee通信等。

4.1 溫度信號采集

溫度信號的采集可由CC2430芯片內部的MCU完成，溫度傳感器DS18B20采用單總線方式和處理器通信，根據DS18B20的通訊協議，主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發送一條ROM指令，最后發送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉500微秒，然后釋放，DS18B20收到信號后等待16～60微秒左右，后發出60～240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復位成功。

4.2 ZigBee協議棧(Z-Stack)

ZigBee協議棧的體系結構如圖4所示。介質接入控制子層(Medium Access Control Layer，MAC)和物理層(Physical Layer，PHY)是由IEEE 802.15.4標準中定義的兩層。網絡層(Network Layer，NWK)是由ZigBee聯盟所定義，主要完成從應用層接受數據并向其發送數據；應用層(Application Layer APL)是ZigBee協議棧的最高層。應用層的框架包括了應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和由制造商制定的應用對象。應用層主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上。

圖4 ZigBee體系結構Fig.4 ZigBee system structure diagram

ZigBee協議棧運行在一個OSAL(操作系統抽象層)操作系統上。該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度。每個任務都包含若干個事件，每個事件都對應一個事件號。當一個事件產生時，對應任務的事件就被設置為相應的事件號，這樣，事件調度就會調用相應的任務處理程序。OSAL中的任務可以通過任務API將其添加到系統中，這樣就可以實現多任務機制。OSAL任務調度流程如圖5所示。NextActiveTask( )是一個任務事件查詢函數，返回任務的事件狀態ActiveTask。軟件設計時，可通過ActiveTask的值來決定是否需執行對應的任務函數ActiveTask( )。

圖5 OSAL任務調度機制Fig.5 OSAL task scheduling mechanism

4.3 無線傳感器通信

本小節以兩個節點之間的通信為例，介紹了點對點通信的過程和實現方法。完成一次數據傳送的程序流程圖如圖6。系統初始化主要是將系統的工作頻率設為32MHz的晶振頻率，這樣RF才能正常工作。RF初始化時，先設置通信頻率，再通過設置RFPWR.RREG_RADIO_PD位為1給RF供電。RF初始化的過程還包括執行下面的代碼來開啟Rx，清空Rx、Tx的FiFo緩沖區以及校準Radio。

圖6 數據發送程序流程圖Fig.6 The flow chart of Data distribution procedures

DMA的初始化階段要為Tx分配1個空閑的DMA通道。首先要為通道0和通道1～4分別設置好通道描述數據結構的存放地址，并將首地址分別寫入DMA0CFGH:DMA0CFGL和DMA1CFGH:DMA1CFGL。再為這個分配好的DMA通道設置其描述數據結構。

當設置為Tx準備的DMA通道時，需將數據的源地址SRCADDRH:SRCADDRL設為所要發送數據的起始地址，目標地址DESTADDRH:DESTADDRL設為寄存器RFD的地址0xDFD9。然后，在LENH:LENL中設置所要發送數據的長度，并將VLEN設為0。將WORDSIZE位設為0，表示DMA數據按字節進行傳輸(設為1表示按字傳輸)。DMA的數據傳送模式按照一次觸發傳輸的數據量可分成四種，由TMODE設置選擇。本例中采用Block模式，即一次DMA觸發可進行一個完整數據塊的傳輸。CC2430定義的DMA觸發信號有31種之多，由TRIG位設置。將TRIG設置為0，表示采用無觸發模式，這樣DMA在每次接收到DMAREQ信號后才啟動一次數據傳輸。SRCINC和DESTINC分別用于設置數據源地址和目標地址的變化方式，可設為不變、增1、增2或減1。由于采用按字節的Block模式向Radio發送數據，因此數據源地址選擇增1變化，而數據目標地址則一直為寄存器RFD的地址0xDFD9，故設為不變。IRQMASK位用于設置是否在DMA數據傳輸完后發中斷信號。本例中設為0，即禁止DMA中斷。M8是按字節傳輸時的數據寬度，設為0表示8位傳輸，為1時表示只傳輸字節的低7位。本例中設為0。PRIORITY用于優先級設置，本例中設為2，即中等優先級。

DMA描述設置好后，通過設置寄存器DMAARM和RMREQ的位來準備相應的DMA通道以及啟動這個通道上數據塊的傳輸。在啟動DMA數據傳輸之前，將當前數據幀的長度、目標節點地址、源節點地址、標志字節通過直接寫寄存器RFD的方式寫入TXFIFO。這樣在啟動DMA傳輸后，完整的數據幀將被傳輸至TXFIFO。通過給CSP發送指令ISTXONCCA啟動TX傳輸。這就完成了一幀數據的發送。

數據接收的過程同樣需要設置系統工作頻率為32MHz，且應確保Rx工作在Tx相同的頻道上，并設置DMA通道。其中DMA的數據源為寄存器RFD，并將DMA觸發信號設為RADIO，即Radio接收到數據時觸發DMA。數據接收的程序流程如圖7所示。

圖7 數據接收程序流程圖Fig.7 The flow chart of Data reception

5.結束語

通過利用CC2430芯片對測溫系統的設計，我體會到ZigBee無線溫度傳感網絡的優越性及其廣闊的應用前景，CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片，使得我們開發ZigBee無線傳感網絡會更加方便，產品開發周期會大大縮短。

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