聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 引 言 隨著傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及微機(jī)電技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過(guò)集成在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的各類微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息開展處理，并通過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將信息傳送到終端用戶。本文主要介紹聲傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1 聲傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造 如圖1所示，聲傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造通常包括聲傳感器節(jié)點(diǎn)、會(huì)聚節(jié)點(diǎn)和后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備等。 聲傳感器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的形成、數(shù)據(jù)的采集，

2、并將數(shù)據(jù)通過(guò)多跳傳輸?shù)綍?huì)聚節(jié)點(diǎn)。會(huì)聚節(jié)點(diǎn)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起、拓?fù)涞男纬膳c維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的聚集與處理，以及與后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備的通信與信息交互。后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目刂?、網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)護(hù)。為了感知監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的聲音信息，可以通過(guò)人工布撒的方式把一定數(shù)量的聲傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，聲傳感器節(jié)點(diǎn)之間或者聲傳感器節(jié)點(diǎn)與會(huì)聚節(jié)點(diǎn)之間就能夠自動(dòng)形成一個(gè)自組織、多跳的網(wǎng)絡(luò)。聲傳感器節(jié)點(diǎn)周期性或者觸發(fā)式地采集聲音數(shù)據(jù)并與周圍的節(jié)點(diǎn)開展數(shù)據(jù)交換，將數(shù)據(jù)及時(shí)地通過(guò)自適應(yīng)的路由，多跳中繼后傳輸給會(huì)聚節(jié)點(diǎn)；會(huì)聚節(jié)點(diǎn)將聚集的數(shù)據(jù)通過(guò)北斗通信模塊轉(zhuǎn)發(fā)給后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)聲音信息的

3、上傳。 2 聲傳感器節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng) 聲傳感器節(jié)點(diǎn)由主控芯片AT91SAM7S256單片機(jī)、射頻芯片CC1100、串口電壓轉(zhuǎn)換芯片MAX3232，以及電源、聲傳感器、GPS與北斗、各種控制器組成。其硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。系統(tǒng)以低功耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)，所以硬件設(shè)計(jì)上均采用了同類產(chǎn)品中功耗或者較低的產(chǎn)品，以保證系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)工作。 聲傳感器節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想開展設(shè)計(jì)，下面介紹具體模塊。 2.1 處理器模塊 本設(shè)計(jì)采用以AT91SAM7S256為的處理器模塊。AT91SAM7S256是Atmel 公司32位ARM RISC處理器Ar91SAM7S系列中的一員。它片內(nèi)集成了256KB的Flas

4、h和64 KB的SRAM，充足的存儲(chǔ)空間可以保證數(shù)據(jù)采集和傳送協(xié)議的正常運(yùn)行，方便程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)；豐富的外設(shè)包括串口、SPI、I2C和USB等；工作溫度范圍為-40+85；具有中斷喚醒功能，可以通過(guò)中斷使單片機(jī)從休眠模式轉(zhuǎn)為活動(dòng)模式。 因此，AT91SAM7S256完夠滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求。處理器模塊框圖如圖3所示。 2.2 無(wú)線射頻模塊 本設(shè)計(jì)中無(wú)線射頻模塊選用Chipcon公司生產(chǎn)的無(wú)線射頻芯片CC1100來(lái)實(shí)現(xiàn)。 CC1100是一款真正的低成本、低功耗、單片的UHF無(wú)線收發(fā)器；工作電壓為1.83.6 V；工作頻段靈活，可以設(shè)定在315433868915 MHz的ISM和RSD頻

5、段，其數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)500 kbs；輸出功率多級(jí)可調(diào)，可以選擇多種調(diào)試方式。此外，CC1100還具有許多其他功能：數(shù)據(jù)的自動(dòng)組包與拆包、獨(dú)立的發(fā)送接收FIFO、空閑信道評(píng)估功能、自動(dòng)喚醒功能、RSSI功能、自動(dòng)的前向糾錯(cuò)(FEC)、交織以及白化功能。CC1100與AT91SAM7S256的通信是通過(guò)SPI總線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。無(wú)線射頻模塊電路如圖4所示。 2.3 聲音采集模塊 聲音測(cè)量通過(guò)駐極體XF-18D麥克風(fēng)陣列開展測(cè)量。XF-18D麥克風(fēng)是電容式微麥克風(fēng)，輸入信號(hào)為聲音信號(hào)，輸出信號(hào)經(jīng)MAX4477構(gòu)成的前置放大電路后開展電壓值A(chǔ)D采樣。處理器的AD采樣頻率可達(dá)20CkHz，可捕獲到較寬范圍的聲

6、音信號(hào)。 本設(shè)計(jì)中放大元件采用Maxim公司生產(chǎn)的MAX4477放大器。它是一款高帶寬、低噪聲、低失真運(yùn)算的放大器，提供滿擺幅輸出，工作電壓可低至2.7 V。聲音采集電路如圖5所示。 2.4 GPS與北斗模塊 由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)需要獲取自身的位置和的時(shí)間，因此每個(gè)節(jié)點(diǎn)需安裝GPS或者北斗模塊?？刹捎肁tmel公司提供的GPS模塊，采用的是串行輸出，只要2 個(gè)串行信號(hào)線就可以完成較的差分衛(wèi)星定位。GPS模塊的支持電壓為2.73.3 V，功率小于100 mWH。GPS模塊由變頻器模塊(ATR0600)、信號(hào)相關(guān)模塊(ATR0610)、微處理器模塊(ATR0620)組成。圖6為GPS模塊構(gòu)造框圖。 2.5 電源模塊 電源模塊的功能是提供節(jié)點(diǎn)工作所需的能量，本節(jié)點(diǎn)可通過(guò)4節(jié)干電池或USB端口供電。由于4節(jié)干電池和USB端口提供的電壓都是大于處理器模塊、 CC1100和聲音采集模塊所需的3.3 V電源，所以必須將輸入電壓調(diào)整至節(jié)點(diǎn)所需的電壓。此電源模塊設(shè)計(jì)采用的是AMS1117_3.3電壓調(diào)節(jié)器，它的作用是把4節(jié)干電池和USB端口提供的 5 V電壓調(diào)節(jié)到所需的3.3 V。其電路設(shè)計(jì)如圖7所示。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)上移植了TinyOS操作系統(tǒng)，基于操作系統(tǒng)開展各個(gè)模塊的消息驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)，開展路由算法的移植。使用2個(gè)節(jié)點(diǎn)(1個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)會(huì)聚節(jié)點(diǎn))開展組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)對(duì)鼓掌聲音信號(hào)的