引言
隨著社會的需求，無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)以其低復雜度、低成本、低功耗、網絡節點多等優點，在實際生活中的應用越來越廣泛。尤其是一些片上系統(SoC)的出現，大大降低了無線傳感器網絡的開發難度。在應用這些片上系統進行無線傳感器網絡開發時，由于片上系統本身的無線通信部分的發射功率都很小(如CC2531的發射功率只有4．5 dBm)，加上其接收靈敏度也固定在一定水平，這樣就限制了無線傳感器網絡的通信距離，常見的傳輸距離為幾百米不等。而在一些特定的應用環境中，要求網絡節點間的安放距離達到一公里以上甚至更遠。
本文介紹一種基于核心芯片CC2531的無線傳感器網絡節點設計，應用TI公司的2．4 GHz的射頻前端芯片CC2591來提高無線通信部分的發射功率，進一步改善其接收靈敏度，從而延長通信距離。
1 核心芯片介紹
1．1 CC2531
CC2531是TI公司推出的具有USB功能的用于IEEE 802．15．4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(SoC)解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2531集成了2．4 G．Hz的RF收發器、增強工業標準的8051 MCU、在系統可編程的256 KB Flash、8 KB RAM和許多其他強大的功能；發射功率為4．5 dBm(可調)，接收機的接收靈敏度為-97 dBm。
1．2 CC2591
CC2591是TI公司推出的工作在2．4 GHz，面向低功耗與低電壓無線應用，集成度很高的射頻前端芯片。CC2591的內部集成功率放大器(PA)的增益為22 dB，最大發射功率為+22 dBm(輸入+5 dBm)，輸出1 dB壓縮點+19 dBm，接收部分內部集成的LNA分高低接收增益分別為11 dBm、1 dBm，噪聲系數為4．8 dB，接收靈敏度改善6 dB。
2 總體設計
根據設計要求，系統硬件結構框圖如圖1所示。核心芯片CC2531結合其外圍電路(如晶振、A／D基準電壓、存儲器、傳感器及調試接口等)，加上必需的電源模塊以及射頻前端芯片CC2591，構成了本方案的硬件系統。在應用于不同的領域時，對應的傳感器、電源、A／D基準電壓、存儲器等均可進行相應的調整。CC2531和CC2591部分的硬件設計則較為固定。
3 性能參數預算
3．1 發射功率預算
根據CC2531和CC2591的數據手冊可知：CC2531RF端口的發射功率最大為+4．5 dBm，修改TXPOWER寄存器的值可調節其發射功率，范圍為-22～+4．5dBm。連接CC2591后，CC2591發射模式下PA增益最大為22 dB，則對應的發射功率范圍為+22～10 dBm(最大值由PA本身決定，最小值可以更小)。綜合考慮其PA的1 dBm壓縮點(19 dBm)和系統功耗等因素，設定其TX-POWER=0xD5，即CC2531的輸出功率為1 dBm，CC2591
的發射功率為19 dBm是較理想的大功率輸出參考設定(僅供參考，實際中可能會有變化)。
3．2 接收靈敏度估算
CC2591處于接收高增益模式時，HGM=1，其外部天線連同內部T／R選擇器到內部LNA的噪聲系數NF為4．8 dB，后端CC2531內部可解析的信號的信噪比SNR為3 dB(保證誤碼率在一定水平)，單信道發射接收帶寬BW可設為1 MHz或5 MHz。根據公式，當正常室溫T0=290 K時，1 Hz帶寬的噪聲功率為N0=-174 dBm，接收靈敏度S=-174 dBm+NF+SNR+10log(BW)。
代入參數可得：接收帶寬5 MHz時，接收靈敏度S=-99．2 dBm。
3．3 通信距離估算
在現實環境中，任意兩點之間通信，環境給傳輸波帶來的損耗一般無法定量估算，而且根據環境變化千差萬別。在不考慮外界影響和傳輸損耗，電磁波在理想情況下傳播的條件下，無線通信傳輸距離的計算公式如下：
Loss=32．44+20lgd+201gFreq
天線增益暫不考慮(需要根據實際購買天線參數而定)。鏈路損耗預算Loss為118．2 dBm(不計非理想損耗)，頻率Freq以CC2531的RF中心頻率2450 MHz計算，可得無線通信傳輸距離d=7．93 km。實際應用中達不到這個距離，此值僅供參考。
4 無線通信模塊原理
在整體框圖中提到的CC2531的主要外圍電路這里不再介紹，CC2531和CC2591的連接電路如圖2所示。其中包括芯片間RF差分信號線的匹配鏈路、RF信號到天線的匹配電路、CC2591控制信號線，以及電源的退耦濾波部分。
其中，供電線的退耦濾波部分，B1為磁珠，選擇時應注意其有效濾波的頻率范圍；同時，其他元器件也要選擇應用于高頻的電容、電感等。RF信號到天線的匹配電路部分，天線的連接端口使用SMA接口(母頭)，用于電路測量時可以使頻譜儀和矢量網絡分析儀的接入更方便，同樣可以接帶對應SMA接頭的天線。對于CC2591的3個使能控制，分配如下：P0．1→HGM_EN，P1．1→PA_EN，P1．4→LNA_EN。其中，控制HGM_ EN的P0．1可以由任意的GPIO代替，另外兩個則不能變動。它們要分別映射到系統協議棧內部接口和寄存器。
5 PCB電路實現
相比于原理圖的設計，在實際設計和生產PCB電路板時將遇到更多、更實際的問題。根據圖2給出的原理圖，設計出射頻信號線部分的布線。圖3展示的為芯片間的射頻差分走線，圖4展示的為CC2591連接天線的射頻走線。 圖3和圖4主要展示了射頻走線部分的布線設計，采用射頻中最常見的孤島式布線。因其工作頻率在2．4GHz，且最大功率達到20 dBm的水平，在原理圖中看不到很多反射，但是在PCB中可能由于布線的不合理造成部分地方的較大反射、能量的堆積，導致設計和生產的失敗。因此，所有的RF信號線盡量設計成直線式。
天線連接部分選用SMA接頭。圖4中，連接元件B8和SMA接頭的部分為50 Ω微帶線，實際生產中要進行阻抗控制。最后是表面鋪銅地的設計，要保證射頻信號的良好接地。
PCB設計完成實際投產過程中，由于介電常數和介質高度等參數不能理想地按照預想設定，不可避免地會存在偏差，所以要時刻注意其參數變化，及時調整。
設定單信道發送，CC2531內部TXPOWER=0xD5(典型發射功率+1 dBm)，測量出中心頻點在2．401 GHz時，功率為+19．21 dBm。雖然受其他因素影響，此結果比預定的輸出功率偏大，但是可以接受。結果證明，該系統中射頻鏈路部分的傳輸較為理想，在實際電路中的反射和損耗控制在工程可接受范圍之內。對應的接收鏈路，也可預測出其反射和損耗是可以接受的。
結語
根據實際要求，設計和生產了以增大發射功率來延長傳輸距離的無線傳感器網絡節點。由測量得到的數據可知，加入功率放發單元確實大大地提升了節點的發射功率。由于受設備和測量條件的限制，對一些其他參數的測量并未進行，這是日后要完善的地方，對于電路的改進也是日后工作的重點之一。