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

韋 然

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

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、健康護(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［1］。文中設(shè)計(jì)了一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)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(jì)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)，通過無線射頻芯片進(jìn)行數(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)的唯一標(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(jì)

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［1］。能量供應(yīng)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(jì)。節(jié)點(diǎn)微處理器的工作電壓為1.8～3.6 V，無線射頻芯片工作電壓為2.1～3.6 V，F(xiàn)lash供電電壓為2.7～3.6 V，USB轉(zhuǎn)換芯片由USB供電。因此電源可以選用3 V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2.4 GHz IEEE 802.15.4的無線收發(fā)芯片CC2420。它基于Chipcon公司的SmartRF 03技術(shù)，使用0.18 μm CMOS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、16 MHz晶體等少量外圍電路就能在2.4 GHz頻段上工作［2］。CC2420采用O－QPSK調(diào)制方式;超低電流消耗，接收靈敏度可達(dá)到－94 dBm，抗鄰道干擾能力強(qiáng)，其選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE 802.15.4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)250 kbit·s－1，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對多點(diǎn)的快速組網(wǎng)。

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)。另外為達(dá)到最優(yōu)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)用中獲得最優(yōu)性能起著關(guān)鍵作用，TI提供一個緊湊的參考設(shè)計(jì)，必須嚴(yán)格按照該設(shè)計(jì)進(jìn)行。同時增加數(shù)字、模擬電源采用電容濾波。CC2420需要一個16 MHz的參考時鐘用于傳輸速率為250 kbit·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，在原有基礎(chǔ)上對部分電容、電感進(jìn)行了適當(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。

圖3 無線射頻模塊

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14 bit的數(shù)字輸出和濕度在0～100%RH范圍內(nèi)且分辨率為12 bit的數(shù)字輸出［3］。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2.4～5.5 V，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。

2.4 USB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)進(jìn)行融合、傳輸，最終將數(shù)據(jù)傳送到個人電腦上進(jìn)行處理和觀察，同時節(jié)點(diǎn)工作需要將特定的程序?qū)懭隖lash中。目前個人電腦最常用的接口為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 300 bit·s－1～ 3 Mbit·s－1［4］。芯片通過USB總線供電，工作電壓為4.35～5.25 V，采用外部6 MHz時鐘。USB PID、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5 USB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)的核心，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1.8～3.6 V，在RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅為0.2 μA，在激活工作1 MHz的情況下為330 μA，可以工作在5中低功耗模式，喚醒時間＜6 μm。Flash大小為48 kB，RAM大小為10 kB［5］。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/比較寄存器可用于事件計(jì)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，最多達(dá)6×8條I/O口線，P1、P2端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，最高可達(dá)200 kbit·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32 MHz。

圖6 微處理器模塊

2.6 電路板設(shè)計(jì)

電路板根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)有不同的分類，在設(shè)計(jì)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(jì)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［6］。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(jì)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(jì)驗(yàn)證

3.1 無線模塊驗(yàn)證

為對設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行驗(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2.4～2.48 GHz，發(fā)射功率為0 dBm。經(jīng)過頻譜儀和頻率計(jì)驗(yàn)證設(shè)計(jì)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UC Berkeley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(jì)，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［7］。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(jì)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USB將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺€人電腦，并將該數(shù)據(jù)通過圖表顯示，如圖10所示。

圖10 傳感器數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計(jì)的一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)，硬件設(shè)計(jì)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無線射頻芯片為收發(fā)芯片，并擁有JTAG以及其他擴(kuò)展接回，通過硬件測式以及軟件調(diào)成該節(jié)點(diǎn)符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。

［1］孫利民，李建中，陳渝.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］Chipcon.CC2420 2.4GHz IEEE 802.15.4/ZigBee － ready RF transceiver［M/OL］.(2010 －09 －28)［2011 －10 －18］http://www.chipcon.com.

［3］Sensirion the Sensor Company.SHT1x/SHT7xHumidity ＆ temperature sensor［M/OL］.(2007 －08 －09)［2011 －09 －12］http://www.sensirion.com

［4］Future Technology Devices International Ltd.FT232BM USB UART(USB － Serial)I.C.DS232B Version 1.1［M/OL］.(2011－6－30)［2011－10－11］http://www.ftdichip.com.

［5］Texas Instruments.MSP430x161x mixed signal microcontroller［M/OL］.(2010－4 －9)［2011 －11 －5］http://www.ti.com.

［6］龍馬工作室.Protel 2004完全自學(xué)手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2005.