基于CC2541的低功耗蓝牙运动感知节点的设计.pdf
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1、电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering124本次选择 CC2541 作为核心搭建一个系统,CC2541是一块处理芯片,是 TI 推出的一款针对低能耗以及针对个人搭建的 2.4GHz 频率通信的应用的功率优化的片载系统的一块芯片。因为以上特性,使得它使得使用低成本建立强健网络节点成为可能。因为 CC2541 芯片包含出色性能的 RF 收发器和增强型 8051 MCU、系统内可编程闪存存储器、8KB RAM 等,所以将它以及其它功能强大的外设组合在一起,非常适合应
2、用于需要超低能耗的系统。1 低功耗蓝牙运动感知节点的设计1.1 感知节点概述感知节点是一个在拓扑学上的概念,并不拘泥于它们的形状和大小,其可以是小到用肉眼几乎看不见的物体,也可以是一个大的建筑物,甚至可以是具备流动性的;它可以是一块很小的芯片,也可以是像台式计算机大小的智能测控设备;它可以是固定的,也可以是移动的;它可以是有生命的,也可以是无生命的;它可以是人,也可以是动物。有的节点可以感知物理世界的等物理参数比方说压力、温度、湿度、声音等,有的节点可以感知化学成分的含量比方说氮气、氧气、氯气、二氧化碳等,有的节点可以作为物体身份识别的标记,有的节点可以感知位置信息。他们组合在了一起构成了物联
3、网中不可缺少的成分,所有物联网中的感知节点都有一个共同的特点,就是它们都安装了一块芯片来作为核心并且和相关感知设备一起搭建的一套设备,具有自动感知外部环境变化以及具备一定的通信能力。但是即便在同一应用体系下,不同的物联网应用系统感知节点的差异很大。本次的设计是基于 CC2541 芯片的,为什么选择它,是因为在目前的系统中,一块可以最大化利用现有资源的芯片。这得综合起来看,相比上一个版本 CC2540,它少了一个 USB 的接口,所以在发射模式方面能耗有着更低。再加上它多了一个 TWI2C 功能接口(两线串行接口),简单来说就是可以连接更多的设备,增加了系统的应用性及适应性。整个系统搭建节点连接
4、的方式选用的是蓝牙,因为 CC2541 具有发射 2.4GHz 无线电波的能力,并且根据实际情况可选发射速率。1.2 蓝牙的概述蓝牙是一种使用的是 2.42.485GHz 的 ISM(工业、科学、医疗波段)波段的 UHF 无线电波通信技术标准,开始于爱立信在 1994 年创制的方案,现在对蓝牙技术的运用可实现有蓝牙功能的设备互相进行短距离数据的交换,其波段在 1999 年才被确定其后作为蓝牙的标志性波段)。蓝牙技术的初衷就是研究移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法,所以本次的节点设计就选择为蓝牙作为通信的标准。蓝牙通信的传输:(1)蓝牙作为个一种无线技术标准其波段为2400
5、2483.5MHz(包括防护频带)。这是全世界范围内都通用的使用在工业、科学和医疗的 2.4 GHz 短距离无线电频段。(2)蓝牙使用的技术,蓝牙使用的跳频技术,这是基于二战时期的扩频技术来的,简单的来说就是传输频率在不同的载波频率上是不断的跳变的,蓝牙的跳频技术是将传输的数据先封装成包,再通过指定的频道来进行传输(频分复用)同常是 79 个。始于 2402 MHz,结于 2480 MHz 为止,每 1 MHz 分为一个频道。但是基于 CC2541 的低功耗蓝牙运动感知节点的设计黄羲韬(成都地铁运营有限公司设备维保公司 四川省成都市 610051)摘要:本文以低能耗、高速度为主要特点的 Blu
6、etooth 4.0 BLE 技术配合运动感知节点的方案更易被实现与运用,相信 BLE 技术很快会成为运动感知节点的连接解决方案。关键词:Bluetooth;CC2541;感知层节点设计电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering125蓝牙的技术方案也会进行迭代,比方说蓝牙 4.0 使用 2 MHz 间距,可容纳 40 个频道。为什么要调频,是因为在同一频道上会有不同的设备进行传输,蓝牙设备的话通常每秒跳 1600 次。(3)蓝牙是基于数据包的,上下具有着主从架构的
7、通信协议。一个主设备可以和在同一网域中的其他设备进行通信,最多支持同步七个从设备。所有的设备同步主设备的时钟,这里的时钟是时钟信号的意思,这里的作用就是将所有的设备时钟周期同步,从而不同的设备有着同一机械周期来运行同一指令(方便程序内参数的传递)。数据的交换是基于主设备的时隙定义的、主设备以 312.5s 为时间间隔运行的基础时钟,也是主设备为中心构成的系统的时钟周期。两个主设备的时钟周期构成一个 625s 的槽也叫时间隙,正常情况下一个时间隙对应一个信道。在频谱中两个时隙周期之间的时间隙就构成了一个 1250s 的缝隙对。从频谱上看主设备在双数槽时发送信息、单数槽时接受信息(前提是数据封装包
8、发送定义是单槽发送),而从设备则正好相反在单数槽时发送信息,在双数槽时接收信息。数据包的封包容量可长达到 1、3、或 5 个时间隙就是说在这些时长中完成一次数据的传递过程。但无论怎么定义,在系统内的交互中主设备都会从双数槽时开始传输,从设备从单数槽时开始传输。1.3 物联网感知层与运动感知节点系统的结构的概述1.3.1 物联网感知层感知层在物联网体系中的作用好比动物的触须用于识别物体,外部感知,采集信息。物联网层次结构分为三层,自下向上依次是:感知层、网络层、应用层。感知层可以说是物联网的核心,关键部分是信息的采集。其在物联网体系中位于物联网三层结构中的最底层,功能就是“感知”,可以说是物联网
9、体系这个开环的系统里起到输入量作用的部分。因为整个体系通过搭建的传感网络来感知外部信息,所以说感知层是整个体系的核心,是物联网中信息采集的关键部分。1.3.2 用传感器搭建的传感器网络传感器:传感器是整个体系中感知外部的主要设备,原理是利用各种机制把被测量(声,光,温度等)由相应信号处理装置进行处理(转换为电信号),整个系统再产生响应并作出相应的动作。常见的包括温度、湿度、声光、电磁传感器等。传感器网络:传感器网络是一种由传感器节点组成网络,其中每个节点都有处理器(这里用的是CC2541)、通信单元(集成于 CC2541),传感器(需要在处理器外部集成)。节点间通过通信网络(并不单指同一通信协
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