北京理工大学  徐琰  马忠梅

引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是集信息采集、信息传输、信息处理于一体的综合智能信息系统，由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成。它是通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，具有低功耗、低成本、分布式、自组织、快速展开、抗毁性强等特点。无线传感器网络能够实时监测系统并及时反馈信息，以实现复杂的指定范围的目标检测与跟踪，具有广阔的应用空间。本文介绍使用LM3S1138微控制器和CC2420无线射频芯片构建无线传感器网络节点的方法，并说明了如何实现点对点的通信传输。

1硬件节点设计

网络节点设计

无线传感器网络由网络中的多个网络节点构成。用模块化的设计方法，节点的硬件由微控制器模块和无线射频模块组成。其中，微控制器模块包含处理器核、数据存储电路和A／D转换器等，根据不同的需求还可以连接其他传感器模块。网络节点硬件结构如图1所示。



1.2 LM3S1138微控制器

微控制器选用Luminary公司的LM3S1138。它采用32位RISC结构的Cortex-M3处理器核，具有64 KB单周期Flash，16KB单周期访问的SRAM，4个通用定时器模块(GPTM)(每个提供2个16位定时器)，16位ADC事件触发器，兼容ARM FiRM的看门狗定时器，2个同步串行接口(SSI)，3个完全可编程的16C550型UART(支持IrDA)，3个独立集成的模拟比较器，2个I2C模块，9～46个GPIO(具体数目取决于配置)，片内低压差(LDO)稳压器(具有可编程的输出电压，用户可调节的范围为2.25～2.75 V)，遵循IEEE 1149.1—1990标准的测试访问端口(TAP)控制器(通过JTAG和串行接口进行调试访问，完整的JTAG边界扫描)，6个复位源，以及可编程的时钟源控制(可对单个外设的时钟进行选通以降低功耗)。

Correx-M3是ARM公司为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计的一款低功耗嵌入式处理器。它具有门数少、中断延迟短、调试成本低的特点，采用ARMv7-M架构，是一个可综合、高度可配置的处理器。Cortex-M3包含一个高效的哈佛结构三级流水线，可提供1.25 DMIPS／MHz，工作频率为50 MHz，采用兼容Thumb指令的Thumb-2指令集以获取更高的代码密度。它采用硬件除法和单周期乘法；集成嵌套向量中断控制器(NVIC)，34个中断具有8个优先级；带可选的存储器保护单元(MPU)，提供特权模式来保护操作系统的功能；非对齐式数据访问使数据能够更为有效地安置到存储器中；精确的位操作(bit-banding)不仅最大限度利用了存储器空间，而且还改良了对外设的控制。

本文的硬件平台选用以LM3S1138为主控芯片的EasyARM1138开发板。

1.3  CC2420无线射频芯片

CC2420无线射频芯片是Chipcon公司开发的符合ZigBee标准的2.4 GHz射频芯片。该芯片是面向于低功耗设计的兼容ZigBee协议／IEEE 802.15.4标准的产品，提供扩展的硬件来实现信息处理、数据缓存、突发传输、数据加密解密、数据识别、通道空闲确认、连接质量评估和包时间信息等特性。这些特性减轻了主机的负担，使得CC2420可以与一个低速低价的微控制器进行连接，而通过SPI接口可以很容易地对CC2420进行控制和数据访问。

1.4  LM3S1138与CC2420的硬件连接

根据周立功公司EasyARM1138开发板用SSI口模拟SPI的特点和CC2420的工作原理，LM3S1138与CC2420的硬件连接如图2所示。由于CC2420模块使用SPI接口与主机进行通信，而EasyARM1138中使用SSI接口来模拟SPI进行传输，在开发板上SSI口提供的帧格式中，选用SPO=0和SPH=0时Freescale SPI的帧格式。但是此帧格式中，片选信号SSIFss不符合CC2420模块的SPI通信规则，所以选择了另一个引脚模拟SPI片选信号，即PD3／U1Tx引脚。


2  IEEE 802.15.4标准

IEEE标准委员会在2000年12月份正式批准并成立了802.15.4工作组，任务就是为了满足低功耗、低成本的无线网络要求，开发一个低数据率的WPAN标准。IEEE802.15.4是基于标准的协议，它为无线传感器网络应用提供所需要的网络基础设施；具有复杂度低、成本低、功耗低的特点，能在低成本设备之间进行低数据率的传输。该标准满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模式，包括物理层、媒体访问控制层、网络层和高层。IEEE802.15.4定义了物理层(PHY)和媒体访问控制层(MAC)，协议结构如图3所示。

3通信软件设计

3.1  总体设计

CC2420模块使用SPI接口与主机进行通信，因此本设计中以EasyARM1138开发板作为主机，CC2420模块作为从机，分别作为发送端和接收端。先在开发板上通过SPI引脚对CC2420进行初始化；再对CC2420芯片内部的寄存器进行相应的配置，以及定义通信中使用的数据格式；最后设置好信道后启动发送。

3.2发送端和接收端软件设计

要实现点对点的通信就是要实现发送端和接收端的功能，使两个节点间可自由地交换信息。下面就主要介绍其实现的方法。

3.2.1  发送端和接收端程序流程

发送端和接收端程序流程分别如图4和图5所示。


3.2.2芯片初始化配置

在使用CC2420进行无线数据传输之前，必须根据需要进行一些配置。使能SPI后，由微控制器发送命令给CC2420，这些命令通过模拟的SPI接口传送到CC2420。通过这种方式，用户可根据需要来配置寄存器的值，选择是否使用地址认证、安全认证等功能，同时还需要设置好发送和接收的频道。在2.4 GHz下提供有16个可选频道，初始化程序如下：


3.2.3发送端和接收端程序实现

从程序流程中可以看出，发送端和接收端都需要先初始化引脚和芯片，等待CC2420晶振起振后，根据程序的需要来进行寄存器的配置。发送端，需要先通过微控制器的SPI接口把需要传送的数据发送到CC2420的TXFIFO中缓存起来，这需要根据自定义或IEEE 802.15.4定义的帧格式来发送，缓存好数据后就可以启动发送了。本设计采用IEEE标准的帧格式，在帧结构中Preamble Sequence、SFD以及FCS在发送时由硬件自动生成。其帧格式如图6所示。

接收端在初始化和配置寄存器等准备就绪后就可以启动接收。当接收端检测到发送的帧中的帧开始分割符SFD后开始接收，接收的数据存放在RXFIFO缓存中。

发送端的发送函数：

 
3.3  CC2420模块调试

由于CC2420模块上没有可见的指示信号来表明发送或者接收是否成功，所以在实验中，使用USB虚拟的UART2端口连接EasyARM1138开发板和PC机，使用PC机上的超级终端接收开发板发送的数据，进行可见测试。首先对发送端和接收端进行独立调试，最后进行整体调试。实验证明，发送端和接收端都能正确地传输数据。

结语

本设计采用LM3S1138微控制器与CC2420无线射频芯片连接，利用CC2420的无线传输功能实现了点对点的数据传输。设计中仅使用IEEE802.15.4标准对PHY层和MAC层进行了实现，还可以把ZigBee协议移植到开发板上，用ZigBee协议来管理实现星型、簇状或者网状拓扑结构的网络，扩展多个节点，将此无线传感器网络应用到环境、医疗、家居、工业和商业等领域。