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【摘要】随着无线传感网络的高速发展，在众多行业中应用日益广泛，使得人们寄予高度关注。无线传感网节点性能指标的质量直接关系到整个无线传感网络系统的优劣，所以设计无线传感网节点至关重要[1]。本文主要介绍一种基于IEEE802.15.4g标准的470MHz无线通信模块的制作。本文主要针对无线传感器网络要求低功耗和远距离传输的应用，解决工业监测系统中使用有线设备时存在的布线困难、监测范围小、功耗高、无法及时传输信息等问题。
【关键词】470MHz；功耗；通信模块
1、引言
随着计算机网络技术、传感器技术及无线通信技术的高速发展，具备以上三种技术的无线传感网络日益引起了人们的高度关注[2]。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景[3]。无线通信模块一般被布置在环境比较恶劣、无人值守区域，因此无线通信模块能量受到限制。因此，低功耗成为了无线传感器网络最重要的设计准则之一。故此，本文提出了以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为处理器模块和射频通信模块，制作470MHz频段的无线通信模块。
2、470MHz无线通信节点的总体设计
470MHz无线通信模块的总体设计分为硬件总体设计和软件总体设计，其中硬件设计方案为本文重点设计对象。硬件设计方案中重点设计470MHz频段无线射频模块。470MHz无线通信模块的总体设计中的软件设计方案是对470MHz频段无线射频模块底层驱动进行设计。470MHz无线通信节点总体设计方案和实际模块，如下图1，图2。
图1 470MHz无线通信节点总体设计方案
图2 470MHz无线通信节点实物图
2.1470MHz无线通信节点的硬件设计
为解决现有通信模块技术中存在的问题，本文提供一种支持IEEE802.15.4g标准的470MHz无线通信模块。本文主要介绍470MHz无线通信模块的硬件设计，硬件设计总体分为微控制器电路设计、无线射频电路设计、接口调试电路设计以及供电电路设计。
2.1.1微控制器电路和接口调试电路的设计
微控制器电路选用了TI公司生产的MSP430F5529芯片，该芯片是16位超低功耗微处理器，最高工作频率为25MHz，内置128K字节的闪存，同时还具有非常丰富的外设接口等。微控制器电路设计部分，包含外接接口电路设计、复位电路设计和晶振电路设计。微控制器和接口电路，如图3。晶振电路采用的是一个为32.768KHz的外部低速时钟源，另一个为16MHz的高速外部时钟源来稳定系统时钟[4]。MSP430F5529的启动方式为上电复位。主控电路模块和射频电路模块的通信方式是通过SPI来进行的。接口调试电路设计采用一个JTAG接口。JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。
图3 470MHz无线通信节点微控制器和接口电路
2.1.2射频电路的设计
射频模块芯片选用采用TI公司的CC1200无线射频收发芯片，CC1200 器件是一款全集成单芯片射频收发器，高性能低功耗芯片，此器件设计用于在成本有效无线系统中实现极低功耗和低压运行的高性能。射频电路的设计是470MHz无线通信节点设计的核心。射频电路设计需要注意的是巴伦电路的设计、微带传输线的设计和射频电路的设计[5]。射频电路设计，如图4。
2.1.3供电电路设计
下面接收供电电路设计，电源模块采用普通的可充电的锂电池。输入电压通过AMS1117稳压芯片将电压转换成3.3V电压，为整个电路提供稳定的电源；当电池电量达不到最低电量要求时，可以通过5V电源接口对电池充电，充电芯片采用的是MCP738332[6]。供电部分电路设计，如图5。
2.2470MHz无线通信模块的软件设计
本章只是大体说下无线通信模块的软件设计，不做具体介绍。首先进行串口通信设计节点接收数据传递给上位机直观显示出数据采用串口通信方式。首先进行串口初始化通信设计。初始化完成后可通过串口给节点发送指令来控制节点的数据通信。还有射频模块主程序设计先要配置射频寄存器参数本设计可以通过配置射频寄存器参数来选择信道，中心频率，发射功率，传输速率等系统参数。在设置发送命令给射频芯片，微控制器芯片将发送命令通过SPI传输给射频芯片可以改变射频芯片的工作模式。射频可以通过一些配置来控制射频芯片工作机制的设置，例如中断设置，模式设置，数据包处理设置等。
图4 470MHz无线通信节点射频电路设计
图5 470MHz无线通信节点供电电路设计
3、实验测试
根据国家标准GB/T 15629.15-2010《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网》中针对470MHz测试的性能指标要求，提出470MHz无线射频模块射频性能总体测试方案，包括发射功率测试、通信距离测试。
3.1发射功率测试结果
将模块通过连接线连接到设置好的频谱分析仪（N9010A）上，读取数据并截图，如下图
图6 模块功率测试
由上图可知，模块的最大发射功率为14.61dBm，并且基本没有带外杂散辐射，符合标准。
3.2、通信距离测试结果
抽取两个节点，分别下载发送和接收程序，两个模块进行点对点的测试（两点距离为1.2公里处），通过串口助手将数据打印出来并分析，结果如下表
表2 实际通信距离测试
4、结论
本文根据无线传输原理、无线射频电路设计技术及无线传感网技术，重点研究巴伦电路设计、微带传输线设计及PCB设计技等关键设计电路，完成设计470MHz频段无线传感网节点，以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为微控制器模块和射频通信模块，设计完成模块，使模块能够实现通信模块的通信距离达到1200m和发射功率达到14dBm等方面的一系列技术指标。
参考文献
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，04：114-124.
[2]戴莹.无线传感器网络在智能电网中若干关键问题的研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.
[3]AkyilidizIF，SuW，Sankarasubrmaniam Y， et al.Wireless sensor networks： a survey[J].Computer Networks，2002，38（4）： 393-422.
[4]刘旭.基于IEEE802.15.4g的无线通信系统开发与研究[D].山东：山东大学，2013.
[5]刘立军.阻抗匹配原理分析[J].计算机光盘软件与应用，2010， 12（8）： 79-80.
[6]李智群，王志功.射频集成电路与系统[M].北京：科学出版社，2008：63-102.
【关键词】470MHz；功耗；通信模块
1、引言
随着计算机网络技术、传感器技术及无线通信技术的高速发展，具备以上三种技术的无线传感网络日益引起了人们的高度关注[2]。无线传感器网络在军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广阔的应用前景[3]。无线通信模块一般被布置在环境比较恶劣、无人值守区域，因此无线通信模块能量受到限制。因此，低功耗成为了无线传感器网络最重要的设计准则之一。故此，本文提出了以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为处理器模块和射频通信模块，制作470MHz频段的无线通信模块。
2、470MHz无线通信节点的总体设计
470MHz无线通信模块的总体设计分为硬件总体设计和软件总体设计，其中硬件设计方案为本文重点设计对象。硬件设计方案中重点设计470MHz频段无线射频模块。470MHz无线通信模块的总体设计中的软件设计方案是对470MHz频段无线射频模块底层驱动进行设计。470MHz无线通信节点总体设计方案和实际模块，如下图1，图2。
图1 470MHz无线通信节点总体设计方案
图2 470MHz无线通信节点实物图
2.1470MHz无线通信节点的硬件设计
为解决现有通信模块技术中存在的问题，本文提供一种支持IEEE802.15.4g标准的470MHz无线通信模块。本文主要介绍470MHz无线通信模块的硬件设计，硬件设计总体分为微控制器电路设计、无线射频电路设计、接口调试电路设计以及供电电路设计。
2.1.1微控制器电路和接口调试电路的设计
微控制器电路选用了TI公司生产的MSP430F5529芯片，该芯片是16位超低功耗微处理器，最高工作频率为25MHz，内置128K字节的闪存，同时还具有非常丰富的外设接口等。微控制器电路设计部分，包含外接接口电路设计、复位电路设计和晶振电路设计。微控制器和接口电路，如图3。晶振电路采用的是一个为32.768KHz的外部低速时钟源，另一个为16MHz的高速外部时钟源来稳定系统时钟[4]。MSP430F5529的启动方式为上电复位。主控电路模块和射频电路模块的通信方式是通过SPI来进行的。接口调试电路设计采用一个JTAG接口。JTAG接口可对DSP芯片内部的所有部件进行编程。
图3 470MHz无线通信节点微控制器和接口电路
2.1.2射频电路的设计
射频模块芯片选用采用TI公司的CC1200无线射频收发芯片，CC1200 器件是一款全集成单芯片射频收发器，高性能低功耗芯片，此器件设计用于在成本有效无线系统中实现极低功耗和低压运行的高性能。射频电路的设计是470MHz无线通信节点设计的核心。射频电路设计需要注意的是巴伦电路的设计、微带传输线的设计和射频电路的设计[5]。射频电路设计，如图4。
2.1.3供电电路设计
下面接收供电电路设计，电源模块采用普通的可充电的锂电池。输入电压通过AMS1117稳压芯片将电压转换成3.3V电压，为整个电路提供稳定的电源；当电池电量达不到最低电量要求时，可以通过5V电源接口对电池充电，充电芯片采用的是MCP738332[6]。供电部分电路设计，如图5。
2.2470MHz无线通信模块的软件设计
本章只是大体说下无线通信模块的软件设计，不做具体介绍。首先进行串口通信设计节点接收数据传递给上位机直观显示出数据采用串口通信方式。首先进行串口初始化通信设计。初始化完成后可通过串口给节点发送指令来控制节点的数据通信。还有射频模块主程序设计先要配置射频寄存器参数本设计可以通过配置射频寄存器参数来选择信道，中心频率，发射功率，传输速率等系统参数。在设置发送命令给射频芯片，微控制器芯片将发送命令通过SPI传输给射频芯片可以改变射频芯片的工作模式。射频可以通过一些配置来控制射频芯片工作机制的设置，例如中断设置，模式设置，数据包处理设置等。
图4 470MHz无线通信节点射频电路设计
图5 470MHz无线通信节点供电电路设计
3、实验测试
根据国家标准GB/T 15629.15-2010《信息技术系统间远程通信和信息交换局域网和城域网》中针对470MHz测试的性能指标要求，提出470MHz无线射频模块射频性能总体测试方案，包括发射功率测试、通信距离测试。
3.1发射功率测试结果
将模块通过连接线连接到设置好的频谱分析仪（N9010A）上，读取数据并截图，如下图
图6 模块功率测试
由上图可知，模块的最大发射功率为14.61dBm，并且基本没有带外杂散辐射，符合标准。
3.2、通信距离测试结果
抽取两个节点，分别下载发送和接收程序，两个模块进行点对点的测试（两点距离为1.2公里处），通过串口助手将数据打印出来并分析，结果如下表
表2 实际通信距离测试
4、结论
本文根据无线传输原理、无线射频电路设计技术及无线传感网技术，重点研究巴伦电路设计、微带传输线设计及PCB设计技等关键设计电路，完成设计470MHz频段无线传感网节点，以MSP430F5529单片机和CC1200射频芯片分别作为微控制器模块和射频通信模块，设计完成模块，使模块能够实现通信模块的通信距离达到1200m和发射功率达到14dBm等方面的一系列技术指标。
参考文献
[1]马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述[J].通信学报，2004，04：114-124.
[2]戴莹.无线传感器网络在智能电网中若干关键问题的研究[D].合肥：合肥工业大学，2013.
[3]AkyilidizIF，SuW，Sankarasubrmaniam Y， et al.Wireless sensor networks： a survey[J].Computer Networks，2002，38（4）： 393-422.
[4]刘旭.基于IEEE802.15.4g的无线通信系统开发与研究[D].山东：山东大学，2013.
[5]刘立军.阻抗匹配原理分析[J].计算机光盘软件与应用，2010， 12（8）： 79-80.
[6]李智群，王志功.射频集成电路与系统[M].北京：科学出版社，2008：63-102.