無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是信息技術(shù)發(fā)展到一定階段后出現(xiàn)的一種聚合傳感器、嵌入式、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)以及無線通信、分布式信息處理等多種綜合性的技術(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠廣泛用于軍事、環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報、安康護(hù)理、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、復(fù)雜機(jī)械控制、城市交通、空間探索、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。文中設(shè)計了一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計基于Moteiv方案，采用超低功耗單片機(jī)MSP430F1611作為數(shù)據(jù)處理芯片，以CC2420無線射頻芯片作為收發(fā)芯片，并擁有JTAG以及其他擴(kuò)展接口。通過硬件測試以及軟件調(diào)試該節(jié)點(diǎn)符合設(shè)計指標(biāo)。

1系統(tǒng)概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量無線傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個節(jié)點(diǎn)由傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理芯片負(fù)責(zé)接收和處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，通過無線射頻芯片開展數(shù)據(jù)的無線傳輸與接收以及無線組網(wǎng)功能。USB接口可以作為電源以及編程接口，一線硅序列號可作為節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識，F(xiàn)lash芯片用于存儲數(shù)據(jù)，JTAG口用于調(diào)試與編程。

圖1系統(tǒng)框圖

2硬件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)主要由6部分組成：電源單元、無線射頻模塊、傳感器模塊、USB通信模塊和微處理器。

2.1電源單元

傳感器節(jié)點(diǎn)體積微小，通常攜帶能量有限的電池。能量供給模塊在無線傳感器節(jié)點(diǎn)中至關(guān)重要，為傳感器節(jié)點(diǎn)各部分提供能量。需要長時間數(shù)據(jù)采集的傳感器有的需要太陽能等方式來維持節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。節(jié)點(diǎn)的各部分也需要精心設(shè)計。節(jié)點(diǎn)微處理器的工作電壓為1.8~3.6V,無線射頻芯片工作電壓為2.1~3.6V,Flash供電電壓為2.7~3.6V,USB轉(zhuǎn)換芯片由USB供電。因此電源可以選用3V紐扣電池供電，有效減少了節(jié)點(diǎn)的大小。另外USB也可以作為供電源，同時作為編程電源，電源單元如圖2所示。LC濾波單元對交流電具有較好的濾波效果，同時又不會降低直流輸出電壓。低壓差的穩(wěn)壓器ADP3339保證了電源較好的穩(wěn)壓性。

圖2電源單元

2.2無線射頻模塊

節(jié)點(diǎn)中的無線收發(fā)機(jī)，采用Chipcon公司推出的一款兼容2.4GHzIEEE802.15.4的無線收發(fā)芯片CC2420.它基于Chipeon公司的SmartRF03技術(shù)，使用0.18μmCMOS工藝生產(chǎn)，具有較高的集成度。該芯片體積小、功耗低，具有完全集成的壓控振蕩器，只需天線、16MHz晶體等少量外圍電路就能在2.4GHz頻段上工作。CC2420采用O-QPSK調(diào)制方式；超低電流消耗，接收靈敏度可到達(dá)-94dBm,抗鄰道干擾能力強(qiáng)，其選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kbit·s-1,可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

圖3無線射頻模塊

圖3中無線射頻模塊的外圍電路采用CC2420手冊提供的典型應(yīng)用電路的器件數(shù)值，這樣保證了芯片能工作在正常狀態(tài)。另外為到達(dá)性能，必須使用電源去耦，去耦電容和電源過濾的設(shè)置和大小對于在應(yīng)用中獲得性能起著關(guān)鍵作用，TI提供一個緊湊的參考設(shè)計，必須嚴(yán)格按照該設(shè)計開展。同時增加數(shù)字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個16MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250kbit·s-1的數(shù)據(jù)收發(fā)，參考時鐘可以來自外部時鐘源，也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生，這里采用內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生的方式。天線阻抗匹配至關(guān)重要，為獲得較好的發(fā)射功率，在原有根底上對部分電容、電感開展了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。CC2420與微控制器的通信通過4線SPI總線實(shí)現(xiàn)（SI、SO、SCLK、CSn），通過控制FIFO和FIFOP管腳接口狀態(tài)可以使芯片工作在發(fā)射或接收模式，另外CCA用于空閑信道評估，SFD用于控制時鐘或定時信息的輸入。

2.3傳感器模塊

傳感器是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集單元，可以根據(jù)實(shí)際需要選用不同的傳感器，節(jié)點(diǎn)采用溫度、濕度傳感器SHT11.SHT11是一款將溫度、濕度傳感器、信號放大調(diào)理器、A/D轉(zhuǎn)換器和總線接口集成于一個芯片上的單片全校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸出傳感器，它可以直接提供溫度在-40~120℃范圍內(nèi)且分辨率為14bit的數(shù)字輸出和濕度在0~100%RH范圍內(nèi)且分辨率為12bit的數(shù)字輸出。傳感器及外圍模塊如圖4所示。

圖4傳感器模塊

SHT11電源供電要求為2.4~5.5V,電源和時鐘信號均由微處理器提供，數(shù)據(jù)線管腳三態(tài)輸出，因此需要外界一個上拉電阻將信號拉高。

2.4USB通信模塊

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)按一定協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)開展融合、傳輸，終將數(shù)據(jù)傳送到個人電腦上開展處理和觀察，同時節(jié)點(diǎn)工作需要將特定的程序?qū)懭隖lash中。目前個人電腦常用的接口為USB,而微處理器使用USART接口，為實(shí)現(xiàn)兩種接口之間轉(zhuǎn)換，節(jié)點(diǎn)使用FT232BM芯片作為轉(zhuǎn)換芯片。FT232BM是一種單片USB到異步串口轉(zhuǎn)換芯片，支持全握手和調(diào)制解調(diào)接口信號，在TTL級數(shù)據(jù)傳輸速度范圍為300bit·s-1~3Mbit·s-1.芯片通過USB總線供電，工作電壓為4.35~5.25V,采用外部6MHz時鐘。USBPID、序列號和產(chǎn)品信息可以保存在外部EEPROM中。USB通信模塊接口如圖5所示。

圖5USB通信模塊

2.5微處理器模塊

微處理器是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的，傳感器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理，串行口以及無線模塊的傳輸與控制均需要微處理器的參與。節(jié)點(diǎn)微處理器TI公司的16為超低功耗MSP430F1611.該微處理器工作電壓為1.8~3.6V,在RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.2μA,在激活工作1MHz的情況下為330μA,可以工作在5中低功耗模式，喚醒時間<6μm.Flash大小為48kB,RAM大小為10kB.芯片內(nèi)部有16位定時器Timer_A和Timer_B具有捕獲/比較功能；大量的捕獲/比較存放器可用于事件計數(shù)、時序發(fā)生等；多功能串口（USART）可以實(shí)現(xiàn)異步、同步和I2C串行通信，可以方便地實(shí)現(xiàn)多級通信的應(yīng)用；具有較多的I/O端口，多達(dá)6×8條I/O口線，P1、P2口還可以接收外部上升或下降沿的中斷輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，可達(dá)200kbit·s-1,能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用。微處理器模塊如圖6所示。溫度濕度傳感器連接P1口5、6、7管腳，無線模塊SPI接在P3口1、2、3和P4.4管腳，USB通信模塊數(shù)據(jù)線連接到P3口6、7管腳。其他管腳分別用于控制和擴(kuò)展接口。外部晶振大小為32MHz。

圖6微處理器模塊

2.6電路板設(shè)計

電路板根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，在設(shè)計中大多數(shù)根據(jù)板的數(shù)目分類，在電氣連接關(guān)系復(fù)雜的電路板設(shè)計中，雙面板難以滿足電路布線的要求，這時就必須考慮使用多層板。本節(jié)點(diǎn)采用4層板，頂層主要是USB模塊和無線模塊，底層為微處理器模塊，內(nèi)部層為電源層和地層。設(shè)計結(jié)果如圖7所示。

圖7節(jié)點(diǎn)PCB布局

節(jié)點(diǎn)實(shí)物如圖8所示。

圖8節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

3設(shè)計驗(yàn)證

3.1無線模塊驗(yàn)證

為對設(shè)計的節(jié)點(diǎn)功能開展驗(yàn)證，首先使用IAR集成開發(fā)環(huán)境編寫CC2420的測試程序，通過JTAG將程序燒入Flash,經(jīng)過檢測，射頻部分較好地滿足了預(yù)期。芯片工作頻帶范圍為2.4~2.48GHz,發(fā)射功率為0dBm.經(jīng)過頻譜儀和頻率計驗(yàn)證設(shè)計符合要求，驗(yàn)證結(jié)果如圖9所示。

圖9射頻模塊驗(yàn)證

3.2傳感器和USB轉(zhuǎn)換模塊驗(yàn)證

TinyOS是UCBerkeley開發(fā)的開放源代碼操作系統(tǒng)，專為嵌入式無線傳感器設(shè)計，操作系統(tǒng)基于構(gòu)件的架構(gòu)使得快速更新成為可能，而這又減小了受傳感器網(wǎng)絡(luò)存儲器限制的代碼長度。TinyOS的構(gòu)件包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、分布式服務(wù)器、傳感器驅(qū)動及數(shù)據(jù)識別工具。其良好的電源管理源于事件驅(qū)動執(zhí)行模型，該模型也允許時序安排具有靈活性。因此對于整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證采用TinyOS操作系統(tǒng)，設(shè)計為兩個節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)A負(fù)責(zé)采集溫度濕度數(shù)據(jù)，然后將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個節(jié)點(diǎn)B,節(jié)點(diǎn)B接收到數(shù)據(jù)后，通過U