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基于SimpliciTI协议的无线传感网络硬件节
点设计
周锟，赵同刚，徐正山**
（北京邮电大学电子工程学院，北京 100876） 5
摘要：基于 TI 公司的 SimpliciTI 协议和 CC1110 单片机设计一种适用于远距离通信的无线
传感网络硬件节点。节点以 CC1110单片机为数据处理单元，并通过利用 EDA 软件，完成
单片机最小系统、电源系统、功率放大模块的设计。并在基本 SimpliciTI协议基础上进行改
进，以适合远距离通信的应用场合，完成节点的通信功能。实验证明：使用一块功放芯片时10
输出功率可达 33dBm，在 1km的传输距离下，节点的通信质量良好。
关键词：无线数据通信；硬件节点；无线传感网络；协议
中图分类号：
The design of wireless sensor network hardware nodes based 15
on SimpliciTI protrcol
Zhou Kun, Zhao Tonggang, Xu Zhengshan
(Electronic Engineering School, Beijing University of Post and Telecommunication,Beijing
100876)
Abstract: In this paper one kind of wireless sensor network hardware nodes based on simplici 20
protrcol and CC1110 micro control unit of TI corporation is designed for long distance
comunication. This node use CC1110 as the core of data processing. Through the use of circuit
design software,the minimum system of microcontroller,the power supply system power amplifier
module are designed in this communication protocol is improved on the basis of
SimpliciTI in order to complete node communication function for long distance communication 25
experiment research shows that the output of node can be high as 34dBm when
only one amplifier chip is used, and good quality is performanted under 1 km distance.
Key words: Wireless data communication；Hardware node; Wireless Sensor Network; Protocol
0 引言 30
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)越来越得到广泛的应用，特别是在环
境监测、家庭自动化、工业监控、智能建筑等领域的应用。监控方将大量的传感器节点散布
在目标监测区域内用于采集目标数据，通过无线通信网络和互联网实现远程监控[1]。单一的
硬件节点组成包括以下几个部分：
MCU 处理单元，完成传感器采集的数据处理工作、响应上位机发送的指令上传数据或35
者转发指令给下个目标节点；
射频单元，发送信号时将MCU 发送的数据包调制到射频频段，通过天线发送给接收单
元，若对传输距离要求还要考虑使用功率放大器，以提高节点的输出功率，达到远距离传输
的目的；接收信号时将天线收到的信号通过低噪声放大器，进行信号的放大和滤波，送至
MCU 解调； 40
供电电路单元，为整个节点提供能量供给，一般情况下节点多采用锂电池，特殊情况如
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沙漠、戈壁、无人值守站点等电池更换不方便的户外场合，还要考虑使用自然资源实现能量
供给，如利用太阳能、风能等。
无线传感器网络中一般存在两种节点：第一种是采集节点(又称终端节点，ED, End 45
Device)，第二种是汇聚节点(AP, Access Point)。ED节点通过多跳接力的方式将数据汇聚到
AP 节点，ED 节点既是采集信息的终端节点，又是传递信息的中继传输节点。AP 节点将整
个区域内的信息传送到远程控制管理中心，反之远程管理中心也可以对网络节点进行实时控
制[2]。下图 1给出无线传感网络系统的架构框图。
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图 1 无线传感网络系统框图
Block diagram of wireless sensor network system
1 系统构成
本文设计的无线通信网络节点总体框图如图 2所示：
外围传感器模块采集到的环境参数，以常用通信接口如：RS232、SPI 总线等，传送给55
CC1110单片机；由单片机完成数据处理并由内部自带的无线模块并调制到 433MHz 载波信
号上，经 Balun(Balance to Unbalance Transfer)完成双端到单端转换;射频开关完成电路收发状
态的切换，发送时通过功率放大器 PA放大信号，由天线辐射出去；接收时由低噪声放大器
LNA 完成小信号放大并滤波，送至 MCU 处理；电源模块负责整个系统的供电。
CC1110F32 Balun/Filter
PA
LNA
Switch Switch
Power
supply
peripheral
circuit
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图 2 硬件节点构成图
Construction of hardware node
2 硬件设计
CC1110 单片机模块
CC1110F32 系列自带了一个具有加强型 51内核、性能强劲的无线收发器(CC1101)，其65
内部集成的可编程 FLASH 容量达 32kB，同时拥有容量为 4kB 的 RAM，其封装形式为
QNP36。CC1110F32 单片机上电后其必须依靠必要的外围辅助电路,才能正常工作即单片机
最小系统。这些必备的外围器件或电路包括：供电电源、为单片机提供工作时钟的晶体振荡
器、复位电路、LED指示灯、程序下载接口、通信接口[3]。单片机系统电路如下图 3所示：
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图 3 CC1110 单片机系统电路
Circle of CC1110 system
功放模块
在远距离无线网络节点设计过程中现实自然环境中树木、墙壁、建筑物的遮挡，人体、
气候等对电磁波的衰减等都会对无线射频信号的影响，要实现远距离通信，必须提高硬件节75
点的输出功率。
SKY65116 是一款工作频率范围 390Mhz~500Mhz 线性功率放大器，采用单电源方式供
电，工作电压范围为均为 ~。SKY65116 内部集成了电源偏置电路，因此无需再使
用体积较大的射频扼流圈等电感元器件进行电源偏置电路设计，同时通过控制偏置电路
CNTV 端口即可以控制功放的导通，只需要 CC1110F32 芯片的一个通用 I/O 口即可实现功放80
开关控制，不需要进行单独的电源开关电路设计，这些都有利于减功放外围电路设计复杂度。
如考虑要求更远的通信距离，则要增大输出功放，可以采用 3BD 电桥，牺牲另一块 PA 芯
片达到增大一倍的效果[4]。功放模块的电路如下图 4所示。
图 4 功放电路 85
Circle of power amplifier
能量自供给电源系统
解决无线传感器网络的能问题成为延长网络应用寿命和降低成本的关键,涉及到两个方
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面的问题:供能和耗能[5]。目前，对无线传感器网络节点能量消耗研究比较多,主要通过节点
工作模式、优化电路设计、通信路由协议等方面解决低功耗的问题。要想从根本上改变节点90
功能的问题,还需考虑能源持续供给,当前环境能量获取和存储技术研究的热点,这将有效补
给无线传感器网络节点的能量。
本文就节点的供给提供一种设计方案，使用太阳能供电，以如韵电子的 CN3722 芯片为
核心，满足节点在野外环境中的节点能量供给。CN3722 是一款可使用太阳能电池供电的
PWM 降压模式充电管理芯片。具有太阳能电池最大功率点跟踪功能。CN3722 具有恒压恒95
流充电模式、非常适合对单节或者多节锂电池充电管理。CN3722 充电过程：电池电压低于
恒压充电电压 %时，进入涓流充电模式；大于恒压充电电压 %时，进入恒压充电模
式，充电电流逐渐减小到零，防止对电池的过充。恒流充电电流由连接于 CSP 管脚和 BAT
管脚之间的电流检测电阻 Rcs设置，在恒压充电模式，恒压充电电压由外部分压网络设置，
恒压状态下电池端对应电压为： 100
VBAT=×(1+R7/R6) + IB×R7,
其中，IB是 FB 管脚的偏置电流，典型值为 50nA。下图 5给出 CN3722 太阳能供电电路：
图 5 太阳能供电电路
Circle of solar power supply 105
硬件节点的有源器件包括单片机、功放 PA及低噪放 LNA，工作电压为 ~，电
路工作电压可以设计在 简化电路的设计工作。由于功放 PA 对信号进行放大时功耗较
大，考虑使用开关电源芯片提高大的电流输出，单片机、低噪放则考虑使用电压稳定度高的
线性电源芯片 LDO。本文中使用的开关电源为 TPS5430，线性电源为 AMS1117，具体的电110
源转换电路如图 6所示。
图 6 电压转换电路
Circle of voltage convert
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3 通信协议简介 115
SimpliciTI网络协议，其具有可简化实施工作，尽可能减小对控制器资源的占用、复杂
度低、数据开销低等特点；其能“开盒即用”地在 TI的 CC1110/CC2510等 SOC 或MSP430
超低功耗微控制器与 CC110x/CC2500 RF收发器上运行。SimpliciTI网络协议的主要工作频
率为 433MHz，其通信速率为 ~250kbps，支持点对点和星型网络拓扑结构。由于 SimpliciTI
协议是专为简单的 RF 网络而设计的，利用 SimpliciTI 可开发出对 MCU 资源最小占用的网120
络协议，从而实现超低功耗系统，降低系统成本，加速产品上市进程[6]。
本文通信协议是在 SimpliciTI协议的基础上开发的。由于 SimpliciTI协议只提供点对点
和星型网络拓扑结构，对于远距离通信系统应用监测管道参数，协议设计到基本问题：基本
上是线性网络结构；长距离即相邻传感器节点相距较远(1km)；节点使用地点无法提供有线
线路持续供电等。 125
本网络协议具有四层协议架构，该协议方法通过分层的框架设计完成对数据包的分层处
理，通过简化处理过程、缩减处理器的资源占用以达到降低开发成本和节点功耗的目的。通
信网络协议的框架从底层到上层依次为：物理层(BSP)、射频层（MRFI）、网络层(NWK)
和应用层(APPLICATION)[7]。
物理层(BSP)用来定义协议数据类型、初始化通信节点，包括芯片工作时钟、LED、按130
键和串口等，并为协议上层提供了控制通信节点底层硬件设备的接口。
射频层(MRFI)又称射频接口层，其功能类似于 TCP/IP 的数据链路层，用以完成配置协
议通信调制方式、通信频道、数据速率、接收滤波器带宽和射频功率等工作，将底层的数据
封装成帧结构，通过 RF射频模块完成数据帧的收发。
网络层(NWK)通过调用MRFI层封装的软件接口实现协议中数据包组建、检索、输入输135
出(FIFO 方式：First Input First Output)控制、发送接收等函数接口。
应用层(APPLICATION)通过调用网络层提供的软件接口创建能实现各种应用层功能的
应用程序接口(Application Programming Interface：API)函数。
4 系统测试
本文设计的远距离通信用节点要求比较高的输出功率，实际测量时节点输出端经两个140
30dB、40dB 衰减器，连接至频谱分析仪信号输入端。测试时, 配置采用 GFSK 调制方式，
+10dBm 的输出功率,通过按下 PCB 板上的功能按键进行信号发射。通过频谱分析仪抓取到
节点输出的信号频谱如下图 7所示：
图 7 节点功率输出 145
Output of hardware node
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在载波处，图中所示的功率值为，考虑到测试链路上 1dBm的信号衰减，可以
计算出节点实际的功率值为：+1=，满足 1km距离通信需求。
为了对本文设计的硬件节点及适用于该系统的通信协议进行测试，采用如下的测试方
案：采用 10个硬件节点，其中 1号为 AP 节点（汇聚节点），2~9 号为 ED节点（终端节点）； 150
各节点的通信距离为 1km；使用串口模拟实际的节点连接的传感器上传到节点的数据。下图
8给出模拟用串口通信的测试用图：
图 8 节点通信测试
Communication test chart of node 155
无线组网的使用 10 个节点发射信号频率为 433MHz，发射功率约为 33dBm、由主节点
1号 AP 发送了 200次数据网络请求命令，其中第 44次数据请求时发生一次丢包现象，其他
节点数据返回均正常，得到的网络丢包率约为 ﹪。
通过对节点输出功率、网络通信丢包率的测试评估,测试表明无线网络节点电气性能符160
合设计要求,工作稳定可靠。
5 结论
本文给出一种适用于远距离通信无线传感网络的硬件节点的设计，并介绍了适用该系统
的线性网络的通信协议。文中给出了硬件节点设计用到的主要模块，具体的电路设计、元件
及其参数，并对改进的 SimpliciTI通信协议各个层的作用、功能进行了分析；同时对节点的165
工作性能进行了测试。该远距离通信系统可以节约人力资源成本，为实现对管道参数的全天
候自动化检测管理提供保障；对于其他的一些应用场合也具有重要的意义。
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