無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之硬件設(shè)計(jì)

1 系統(tǒng)概述

　　本文設(shè)計(jì)了一種WSN硬件平臺(tái)，由若干具有無線接收功能的傳感器節(jié)點(diǎn)，以及一臺(tái)PC機(jī)組成。

　　根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求以及功能要求，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要包括下面幾個(gè)基本部分：傳感器單元、處理器單元、A/D單元、射頻單元、供電單元以及擴(kuò)展接口單元。節(jié)點(diǎn)的硬件體系結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1

　　傳感器單元負(fù)責(zé)對所關(guān)心的物理量進(jìn)行測量并采集數(shù)據(jù)，提供給處理器單元進(jìn)行處理；處理器單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理及控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常工作；射頻天線單元負(fù)責(zé)與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和相關(guān)數(shù)據(jù)；供電單元負(fù)責(zé)為節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量；擴(kuò)展接口可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的功能拓展，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

　　2 節(jié)點(diǎn)核心模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

　　電源是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵部分，電源穩(wěn)定工作是整個(gè)節(jié)點(diǎn)正常工作的保證，設(shè)計(jì)合理的電源電路至關(guān)重要。節(jié)點(diǎn)包含模擬器件和數(shù)字器件，模擬器件的抗干擾能力較差，且數(shù)字器件常常為模擬器件的噪聲源，故為了提高電路的抗干擾能力，模擬器件接模擬地并采用數(shù)字地與模擬地單點(diǎn)共地。電源可選用電池或干電池，電源芯片可選用XC6209、XC6221系列的LDO電源芯片，分別提供3.3V和1.8V的數(shù)字與模擬電壓，電路如圖2所示。

圖2

　　2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　2.2.1 溫度傳感器設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)采用LM75DM-33R2串行可編程溫度傳感器，這種傳感器在環(huán)境溫度超出用戶變成設(shè)置時(shí)通知主控制器。滯后也是可以編程解決。它采用2線總線方式，允許讀入當(dāng)前溫度，并可配置器件。它是數(shù)字型溫度傳感器，直接從寄存器讀出溫度參數(shù)，并可實(shí)現(xiàn)編程設(shè)置INT/CMPTR輸出極性。

　　圖3是其功能圖，由于設(shè)計(jì)中只是簡單的監(jiān)測環(huán)境的溫度，故只需一片LM75，所以地址線A0、A1、A2置地，INT/CMPTR懸空，設(shè)計(jì)的接口電路如圖4所示。

圖3 功能圖

圖4

　　由于cc2431本身帶有A/D模塊，也可采用溫度傳感器AD590測量溫度，其接口電路如圖5。

圖5 接口電路

　　2.2.2 煙霧傳感器設(shè)計(jì)

　　為了監(jiān)測房間中的煙霧，香煙煙霧或者房子中的灰塵等，可以采用NIS-05離子式傳感器。這種傳感器是低放射型的標(biāo)準(zhǔn)傳感器，最大供電電壓24v，由于阻抗很高容易被外界電子噪音所干擾，所以PCB板設(shè)計(jì)時(shí)要注意保護(hù)措施。一般需采用特氟綸做支撐。NIS-051腳為VCC，2腳電壓輸出，3腳接地。由于阻抗高2腳輸出電流很小，需采用輸入電流較小的運(yùn)放，采用LMC6042。接口電路如圖6。

圖6

　　2.2.3 濕度傳感器設(shè)計(jì)

　　HS1101 型濕度傳感器是法國HUMIREL 公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬穸葌鞲衅?，其典型?yīng)用電路如圖2-2-5 所示。該傳感器具有檢測速度快、高精度、高可靠性、長期穩(wěn)定性和使用方便、體積小等特點(diǎn)。它是基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)； 高精度2%；極好的線性輸出；1-99%RH 濕度量程；- 40~100℃的溫度工作范圍；響應(yīng)時(shí)間5秒；濕度輸出受溫度影響極??；防腐蝕性氣體；常溫使用無需溫度補(bǔ)償；無需校準(zhǔn)；電容與濕度變化0.34pf/%RH;典型值180pf@55%RH;長期穩(wěn)定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/ 年。

　　濕度檢測采用電容式HS1101 型濕敏傳感器。利用NE555 定時(shí)器和濕度傳感器HS1101 以及一些電阻構(gòu)成多諧振蕩器電路如圖7所示。該電路把濕敏傳感器隨環(huán)境濕度不同體現(xiàn)的電容值變化量轉(zhuǎn)換為輸出脈沖的頻率變化量，電路輸出的f o 脈沖信號的振蕩頻率中包含了環(huán)境濕度信息。

圖7

　　圖8中虛線左側(cè)是由LM331 芯片構(gòu)成的頻率/ 電壓（F/V） 轉(zhuǎn)換電路。圖2-2-5中輸出的反映濕度信息的變頻脈沖信號fo經(jīng)C2R 網(wǎng)絡(luò)接入LM331的比較器閾值端6腳，脈沖的下降沿引起輸入比較器觸發(fā)定時(shí)電路，1 腳流出的平均電流為：iAv E = i （1. 1 R8 C4 ） ×f O （1）此電流經(jīng)RC 網(wǎng)絡(luò)濾波即可獲得與f o 脈沖信號頻率成正比的直流電壓[ 6 ] :V out = f o ×2. 09V ×（ R9 / Rs ） ×（ R8 C4 ） （2）該部分F/ V 轉(zhuǎn)換器是輸出信號的電壓正比于輸入信號的頻率的線性變化電路，F(xiàn)/ V 轉(zhuǎn)換電路輸出呈0～5 V 之間的線性模擬電壓變化量，對應(yīng)于相對濕度0～100 %RH 的變化。

圖8

　　我們也可以采用另一種集成的濕度傳感器設(shè)計(jì)方案，它采用DHT11數(shù)字濕度傳感器，DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。由于其外圍電路比較簡單，在這里就不在贅述。

　　2.3 處理器及通信模塊設(shè)計(jì)

　　2.3.1 節(jié)點(diǎn)處理器

　　在無線傳感器節(jié)點(diǎn)各單元中，核心單元為處理器單元以及射頻單元。處理器單元決定了節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理能力，路由算法的運(yùn)行速度以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)形式的復(fù)雜程度。而且不同處理器工作頻率不同，在不同狀態(tài)下消耗功率也不相同，因此不同處理器的選用也在一定程度上影響了節(jié)點(diǎn)的整體能耗和節(jié)點(diǎn)的工作壽命。射頻單元的選擇直接影響了無線通信使用的頻段、節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)通信的收發(fā)速率以及節(jié)點(diǎn)的通信距離等。

　　根據(jù)具體應(yīng)用的需求，目前節(jié)點(diǎn)平臺(tái)中的處理器有以下幾種選擇：（1） ATMega128L芯片是ATMEL公司生產(chǎn)的AVR系列處理器。該系列處理器為增強(qiáng)RISC 內(nèi)載閃存（Flash）的芯片。（2）MSP430系列單片機(jī)是德州儀器（TI）公司的一種混合信號控制器，其最顯著的特點(diǎn)就是具有超低功耗特性。（3）若需要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理功能以及復(fù)雜的路由協(xié)議等，就要采用功能更強(qiáng)大的處理器來滿足數(shù)據(jù)計(jì)算量的要求。具有代表性的是英特爾（Intel）公司生產(chǎn)的imote2節(jié)點(diǎn)采用的PXA270處理器。該處理器最高主頻達(dá)624MHz，具有極強(qiáng)的計(jì)算能力，足以應(yīng)付包括視頻在內(nèi)的各種復(fù)雜數(shù)據(jù)處理需求。（4）此外為了降低節(jié)點(diǎn)的成本，一些平臺(tái)采用了通用的8051處理器，如AT89C52。這類處理器具有貨源充足、價(jià)格便宜、使用簡單等特點(diǎn)，為價(jià)格敏感的應(yīng)用提供了解決方案。

　　2.3.2 節(jié)點(diǎn)射頻通信單元

　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，廣泛應(yīng)用的底層通信方式包括使用ISM波段 的普通射頻通信以及具有802.15.4協(xié)議和藍(lán)牙通信協(xié)議的射頻通信。使用普通ISM頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要采用的射頻芯片包括Chipcon公司生產(chǎn)的CC1000，Nordic公司生產(chǎn)的nrf903，Semtech公司生產(chǎn)的XE1205。還有部分無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)使用了帶有802.15.4/ZigBee協(xié)議的通信芯片，主要包括Chipcon公司的CC2420芯片，RFWave公司的RFW102芯片組。

　　為了滿足節(jié)點(diǎn)體積微型化的需要，人們相繼推出了多款整合了處理器和射頻單元的芯片，下面是幾種ZigBee解決方案的對比：

　　當(dāng)然最具代表性的是Chipcon AS公司推出的CC2430、CC2431芯片，它們提供了簡單方便的ZigBee/IEEE 802.15.4低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案，為節(jié)點(diǎn)平臺(tái)的微型化提供了可能。

　　CC2430芯片在以往CC2420射頻芯片的基礎(chǔ)上整合了微處理器，存儲(chǔ)單元以及ZigBee 射頻（RF）前端。這樣在使用極少外圍器件的情況下就可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)方案。處理器采用了8位的8051處理器，具有128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還具有多種內(nèi)部資源，如模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器、看門狗等，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)更為方便。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流為27 mA。在接收和發(fā)射模式下，電流分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間極短的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

　　CC2431是在CC2430以及摩托羅拉基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線電定位解決方案的基礎(chǔ)上，集成在單一硅芯片上的系統(tǒng)解決方案，不僅具有CC2430的相關(guān)特點(diǎn)還具有硬件定位的功能。

　　圖10為CC2431的功能模塊圖。

圖10

　　CC2431的設(shè)計(jì)結(jié)合了8 KB 的RAM 及強(qiáng)大的外圍模塊，并有3 種不同的版本。它們根據(jù)不同的閃存空間32 KB、64 KB 和128 KB 來優(yōu)化復(fù)雜度與成本。CC2431 的尺寸只有7 mm×7 mm 的48 腳封裝，采用具有內(nèi)嵌閃存的0.18 μm CMOS 標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。針對協(xié)議棧、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件執(zhí)行時(shí)對MCU 處理能力的要求，CC2431 包含一個(gè)增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8 位8051 微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時(shí)鐘為32 MHz。CC2431 還包含一個(gè)DMA 控制器，可以減少8051 微控制器內(nèi)核對數(shù)據(jù)的傳送操作，因此提高了芯片整體的性能。在CC2431 8 KB 靜態(tài)RAM 中的4 KB 是超低功耗SRAM。32 KB、64 KB 或128 KB 的片內(nèi)Flash 塊提供在線可編程非易失性存儲(chǔ)器。CC2431 集成了4個(gè)振蕩器用于系統(tǒng)時(shí)鐘和定時(shí)操作，以及用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)，具有4 個(gè)定時(shí)器。此外，還集成了實(shí)時(shí)時(shí)鐘、上電復(fù)位、8 通道8～14 位ADC 等其他外設(shè)，并帶有定位跟蹤引擎。

　　圖11為CC2431的典型接線圖，他的外圍電路很少，只需設(shè)計(jì)晶振電路和天線電路即可。

圖11

　　2.3.3 串口通信模塊

　　為了方便監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼?，需要串口來連接計(jì)算幾，讀取節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的數(shù)據(jù)。連接串口到CC2431，必須加max232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)中因?yàn)槭莝ink節(jié)點(diǎn)故只需一路輸入輸出，用P1-6連接T2IN，P1-7連接R2OUT。VDD需要接電源并用C1，C2接地。如圖12

圖12

　　2.3.4 仿真器接口設(shè)計(jì)

　　JTAG口設(shè)計(jì)必須符合電路引腳要求，否則無法連接。JTAG口設(shè)計(jì)方便燒寫和調(diào)試程序，接口電路如圖13所示，可根據(jù)后續(xù)需要改進(jìn)。

圖13

圖14

　　晶振電路設(shè)計(jì)：采用兩個(gè)石英諧振器和4個(gè)電容分別構(gòu)成1個(gè)32MHZ的晶振電路和一個(gè)32.768的晶振電路，如圖15所示，R221 R261為偏置電阻，其中R221為32MHZ晶振設(shè)置精密偏置電流。

圖15

　　3 小結(jié)

　　本文根據(jù)無線傳感器的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際，設(shè)計(jì)出了一款無線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。選用CC2431處理器作為系統(tǒng)的微處理器，并且配以溫度、濕度以及煙霧傳感器，選用ZigBee協(xié)議作為wsn的傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了一種低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)，為系統(tǒng)的應(yīng)用提供了必要的基礎(chǔ)。