無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘要：為了提升信息管理和傳輸?shù)馁|(zhì)量水平，要全面落實(shí)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，有機(jī)融合傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)等，打造更加合理且規(guī)范的技術(shù)控制體系，確保硬件系統(tǒng)運(yùn)行的合理性和規(guī)范性。本文分析了無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)內(nèi)容，并對(duì)應(yīng)用效果予以討論。

關(guān)鍵詞：無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò);節(jié)點(diǎn);硬件系統(tǒng);模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)要將網(wǎng)絡(luò)體系作為基礎(chǔ)，落實(shí)完整的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，從而確保無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體性能優(yōu)化符合標(biāo)準(zhǔn)，為系統(tǒng)應(yīng)用效率的優(yōu)化提供保障。

一、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

（一）數(shù)據(jù)采集模塊

對(duì)于整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)而言，數(shù)據(jù)采集模塊是將采集的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能有效應(yīng)用的數(shù)字信號(hào)，因此，作為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)層級(jí)，其應(yīng)用價(jià)值較高。

第一，設(shè)置溫度測(cè)量系統(tǒng)，能有效處理引線誤差補(bǔ)償產(chǎn)生的影響，并且能處理多點(diǎn)測(cè)量切換誤差和放大電路零點(diǎn)漂移誤差等問題，確保測(cè)量精度符合預(yù)期。正是因?yàn)楸O(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的電磁環(huán)境較為復(fù)雜，干擾信號(hào)較強(qiáng)，因此，模擬測(cè)溫度信號(hào)往往會(huì)受到干擾，對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生影響。系統(tǒng)主要組成元件是數(shù)字式測(cè)溫芯片，型號(hào)為DS18B20。設(shè)備體積較小、精度較高，并且可組網(wǎng)處理，測(cè)量的溫度范圍為-55℃-+125℃，分辨溫度為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.625℃，能匹配不同精度要求。并且，測(cè)量后獲取的數(shù)據(jù)信息和溫度信號(hào)能直接以串行的模式傳送到CPU，獲取CRC校驗(yàn)碼以有效提升抗干擾能力和糾錯(cuò)能力。與此同時(shí)，利用VDD和GND作為電源引腳、DQ作為數(shù)據(jù)傳輸總線[1]。

第二，設(shè)置濕度測(cè)量系統(tǒng)，選取的設(shè)備型號(hào)為SHT11，能在測(cè)量溫度的同時(shí)，完成濕度的測(cè)定分析，濕度測(cè)量范圍為0-100%RH，精度為±3%，具體的響應(yīng)時(shí)間≤4s，實(shí)時(shí)性分辨率為3%。應(yīng)用濕度敏感元件就能實(shí)現(xiàn)數(shù)字式輸出，能在免標(biāo)定、免調(diào)試的基礎(chǔ)上，維持應(yīng)用的合理性和規(guī)范性。

由圖可知，供電電壓在2.4V到5.5V之間（3.3V），在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的過程中，引腳之間設(shè)置濾波電容，并且配合DATA信號(hào)線實(shí)現(xiàn)上拉電阻的連接處理。也正是因?yàn)閿?shù)字傳感器本身就是借助串行接口技術(shù)，所以，傳感器信號(hào)讀取和電源損耗方面都能實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，微處理器和SHT11發(fā)送的命令予以聯(lián)動(dòng)，就能及時(shí)讀取和分析環(huán)境中的溫度參數(shù)、濕度參數(shù)，維持?jǐn)?shù)據(jù)信息傳輸?shù)暮侠硇浴?/p>

（二）無(wú)線通信模塊

為了保證無(wú)線通信的合理性和規(guī)范性，要優(yōu)選芯片結(jié)構(gòu)，WSN節(jié)點(diǎn)要依據(jù)無(wú)線通信模塊才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸處理，所以要從調(diào)制方式、數(shù)據(jù)傳輸速率等多元因素出發(fā)，確保具體應(yīng)用效果的科學(xué)性。較為常見的芯片如下：

1）TR1000，頻段916MHz、速率為115kbps、電流為3.0mA、靈敏度為-106dB、調(diào)制方式為OOK/FSK。

2）Nrf905，頻段433-915MHz、速率為100kbps、電流為12.5mA、靈敏度為-100dB、調(diào)制方式為GFSK。

3）CC1000，頻段300-1000MHz、速率為76.8kbps、電流為5.3mA、靈敏度為-110dB、調(diào)制方式為FSK。

4）CC2420，頻段2400MHz、速率為250kbps、電流為19.7mA、靈敏度為-94dB、調(diào)制方式為O-QPSK。

本文選取的是CC2420，能滿足ZigBee應(yīng)用單片RF收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的芯片，不僅集成度較高，且對(duì)應(yīng)的電壓和功耗較低，其支持速率能達(dá)到250kbps，主要采取O-QPSK調(diào)制處理，實(shí)現(xiàn)“多點(diǎn)-多點(diǎn)”快速組網(wǎng)處理要求。

另外，CC2420本身需要的外圍元器件數(shù)量有限，利用非平衡變壓天線電路就能完成相應(yīng)的無(wú)線通信處理，確保通信質(zhì)量的合理性和規(guī)范性。

（三）數(shù)據(jù)處理模塊

第一，建立時(shí)鐘模塊，選擇MSP430F1611微處理器系統(tǒng)，能建立完整的節(jié)點(diǎn)控制機(jī)制，簡(jiǎn)化復(fù)雜設(shè)計(jì)內(nèi)容的同時(shí)，兼具D/A轉(zhuǎn)換器的相關(guān)特征，也能最大程度上提高系統(tǒng)應(yīng)用的性價(jià)比。與此同時(shí)，時(shí)鐘模塊中設(shè)置高頻時(shí)鐘、低頻時(shí)鐘和數(shù)字控制振蕩器，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)串口SPI接口完成連接處理，并且能依照協(xié)議完成相應(yīng)工序。值得一提的是，微處理器還具備中斷喚醒模塊，在6s內(nèi)實(shí)現(xiàn)設(shè)備休眠狀態(tài)到活動(dòng)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，大大提升節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性和規(guī)范性[2]。

第二，串口通信接口電路，在實(shí)際應(yīng)用體系中，單片機(jī)和PC上位機(jī)能借助串口通信接口應(yīng)用模式，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳輸管理，正是因?yàn)镽S-232規(guī)定的電平參數(shù)和微處理器的邏輯電平參數(shù)存在差異，所以，借助MAX3232芯片完成轉(zhuǎn)換電平操作，滿足接收器和驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用要去。與此同時(shí)，串口連接的過程中，異步通信模式要滿足TXD和RXD數(shù)據(jù)應(yīng)用要求，維持電容平衡。

（四）電源模塊

在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)中，要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求和標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)具體設(shè)計(jì)工作，選取適當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)模式，本系統(tǒng)應(yīng)用WSN節(jié)點(diǎn)，上文提到無(wú)線收發(fā)芯片是CC2420，其實(shí)際電壓?jiǎn)挝皇?.1V到3.6V，為了維持應(yīng)用效果，并且提升實(shí)驗(yàn)中電池更換的便捷性，選定2節(jié)AA型干電池，將其串聯(lián)處理，能提供3V電壓。在電源能量消耗的過程中，電源電壓難免會(huì)下降，所以，要匹配DC-DC升壓芯片，有效對(duì)電壓予以控制。一方面，DC-DC芯片的實(shí)際發(fā)熱量較小，整體的線性穩(wěn)定效果較好，減少了系統(tǒng)的發(fā)熱量就能最大程度上維持應(yīng)用運(yùn)行的安全性。另一方面，電量消耗較為合理，自身的轉(zhuǎn)換率較高，減少了系統(tǒng)耗電負(fù)擔(dān)，保證設(shè)計(jì)效果的最優(yōu)化。

二、無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在完成無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)相關(guān)模塊設(shè)計(jì)工作中，對(duì)其具體調(diào)試結(jié)果予以實(shí)驗(yàn)分析。選擇RS-232串口通信模式，并且調(diào)試工作還包括節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸。

（一）設(shè)定調(diào)試環(huán)境

IAR為主要調(diào)試環(huán)境，支持多種微處理器系統(tǒng)的運(yùn)行要求，并且整體調(diào)試環(huán)境較為穩(wěn)定和安全，能有效提升調(diào)試效率。在實(shí)際的節(jié)點(diǎn)調(diào)試操作中，要借助JTAG接口完成具體操作，插入端口后就能實(shí)現(xiàn)針對(duì)型的調(diào)試處理，無(wú)論是單步調(diào)試執(zhí)行還是程序流程的改動(dòng)，都能滿足實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

（二）RS-232串口調(diào)試

依據(jù)IAR調(diào)試要求，將相關(guān)內(nèi)容下載到節(jié)點(diǎn)環(huán)境中，匹配串口線連接PC端和節(jié)點(diǎn)，并且配置通信端口屬性、波特率屬性分析等工作，在全速運(yùn)行程序的狀態(tài)觀察串口通信質(zhì)量。

（三）數(shù)據(jù)采集調(diào)試

主要是對(duì)溫度傳感器、溫濕度傳感器等相關(guān)設(shè)備的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，借助IAR完成節(jié)點(diǎn)下載處理，連接RS-232接口線，匹配調(diào)試參數(shù)，觀察擦劑數(shù)據(jù)的結(jié)果，并且完成溫度數(shù)值、濕度數(shù)值分析。例如，顯示的十六進(jìn)制15代表的是溫度數(shù)值，為21攝氏度;顯示的1C表示的是相對(duì)濕度，為28%RH。

結(jié)束語(yǔ)：

總而言之，借助無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，全面實(shí)現(xiàn)低功耗微處理器硬件架構(gòu)模式，全面提升系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量，維持測(cè)試的合理性和規(guī)范性，確保滿足節(jié)點(diǎn)功能的基本需求，也為通信效果的優(yōu)化奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉婷，嚴(yán)承華. 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2016，44（12）：2496-2502，2518.

[2]鄭勁松，賴云峰. 基于云計(jì)算的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)路徑優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（16）：150-154.

[3]嚴(yán)智. 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)信息節(jié)點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程，2021，29（13）：124-128.

作者簡(jiǎn)介：譚奇志，1984年，男，漢族，籍貫：陜西漢中，學(xué)歷：碩士研究生，職稱：中級(jí)工程師，研究方向：通信與信息系統(tǒng)，交換網(wǎng)絡(luò)