無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件的模塊化設(shè)計

隨著人們對于環(huán)境監(jiān)測要求的不斷提高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其投資成本低、架設(shè)方便、可靠性高的性能優(yōu)勢得到了比較廣泛的應(yīng)用。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點需要實現(xiàn)采集、處理、通信等多個功能，因此硬件上采用模塊化設(shè)計可以大大提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的穩(wěn)定性和安全性。

1 CC2430芯片簡介
    CC2430是一款工作在2．4 GHz免費頻段上，支持IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)芯片。該芯片具有很高的集成度，體積小功耗低。單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。CC2430擁有1個8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，4個定時器(Timer)，AESl28協(xié)處理器，看門狗定時器(Watchdog-timer)，32．768 kHz晶振的休眠模式定時器，上電復(fù)位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電(Brown-out-Detection)，以及21個可編程I／O接口。
    CC2430芯片采用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時的電流損耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別為26．7 mA和26．9 mA；休眠時電流為O．5 μA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干采集節(jié)點、1個匯聚節(jié)點、1個中轉(zhuǎn)器、1個上位機控制中心組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點完成數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理和通信工作；匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和維護(hù)，收集并上傳數(shù)據(jù)，將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告采集節(jié)點；中轉(zhuǎn)器負(fù)責(zé)上傳收集到的數(shù)據(jù)并將控制中心發(fā)出的命令信息傳遞給匯聚節(jié)點；控制中心負(fù)責(zé)處理最終上傳數(shù)據(jù)，并且可以由用戶下達(dá)網(wǎng)絡(luò)的操作命令。

    采集節(jié)點和匯聚節(jié)點由CC2430作為控制核心，采集節(jié)點可采集并傳遞數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點負(fù)責(zé)收集所有采集節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)。中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節(jié)點采用串口通信，以GPRS通信方式和上位機控制中心進(jìn)行交互。上位機控制中心實現(xiàn)人機交互，可以處
理、顯示上傳的數(shù)據(jù)并且可以直接由客戶下達(dá)網(wǎng)絡(luò)動作執(zhí)行命令。

3 節(jié)點模塊化設(shè)計
    匯聚節(jié)點和采集節(jié)點在硬件配置上基本相同，采用模塊化設(shè)計使得設(shè)計通用性更好。
    每個節(jié)點主要由控制模塊、無線模塊、采集模塊、電源模塊4部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點模塊化設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3．1 控制模塊
    控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構(gòu)成，完成對采集數(shù)據(jù)的處理、存儲以及收發(fā)工作，并對電源模塊進(jìn)行管理。芯片CC2430包括21個可編程I／0口，其中8路A／D接口，可滿足多路傳感器的采集、處理需求。如圖3所示，CC2430自帶了一個復(fù)位接口，外接一個復(fù)位按鍵可以實現(xiàn)硬件初始化系統(tǒng)。32 MHz晶振提供系統(tǒng)時鐘，32．768 kHz晶振供系統(tǒng)休眠時使用。

    節(jié)點選用芯片F(xiàn)M25L256作為存儲設(shè)備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI接口頻率高達(dá)25 MHz，低功耗運行以及10年的數(shù)據(jù)保持力保證了節(jié)點數(shù)據(jù)存儲的低成本以及可靠性。存儲器外圍電路連接如圖4所示。

3．2 無線模塊
    無線模塊負(fù)責(zé)節(jié)點間數(shù)據(jù)和命令的傳輸，因此，合理設(shè)計無線模塊是節(jié)點穩(wěn)定、高效通信的重要保證。
    TI公司提供了一個適用于CC2430的微帶巴倫電路，這個設(shè)計把無線電RF引腳差分信號的阻抗轉(zhuǎn)換為單端50 Ω。由于該電路直接影響節(jié)點的通信質(zhì)量，在使用前必須對其進(jìn)行仿真驗證。設(shè)計中選用ADS仿真軟件進(jìn)行仿真，采用了版圖和原理圖的聯(lián)合仿真方法。仿真電路圖如圖5所示，微帶電路為TI提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫內(nèi)的模型，嚴(yán)格保證了仿真數(shù)據(jù)的真實性和可靠性。仿真結(jié)果如圖6所示，由圖可以看出巴倫電路在工作頻段內(nèi)(2．400～2．4835 GHz)信號傳輸特性高效、穩(wěn)定。

3．3 采集模塊
    采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并調(diào)理數(shù)據(jù)信號。本設(shè)計中，監(jiān)測的是土壤的溫度和濕度數(shù)據(jù)，采用的傳感器是PTWD-3A型土壤溫度傳感器以及TDR-3型土壤水分傳感器。
    PTWD-3A型土壤溫度傳感器采用精密鉑電阻作為感應(yīng)部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行測量，采用四線法測量電阻原理，將電阻信號調(diào)理成CC2430芯片A／D通道能采樣的電壓信號。圖7中，由P354運算放大器、高精度精密貼片電阻以及2．5 V電源構(gòu)成10 mA恒流源。10 mA的電流環(huán)流經(jīng)傳感器電阻R1、R2將電阻信號轉(zhuǎn)換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉(zhuǎn)換為單端輸出送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。

    TDR-3型土壤水分傳感器輸出信號即為電壓信號，其調(diào)理電路如圖8所示。傳感器輸出信號通過P354運算放大器送入CC2430芯片的ADC通道進(jìn)行采樣。

3．4 電源模塊
    電源模塊負(fù)責(zé)調(diào)理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊3個模塊。本設(shè)計中采用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。
    作為環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，節(jié)點需要在野外無人看守的情況下進(jìn)行工作，能量補給是系統(tǒng)持續(xù)工作的重要保證。本設(shè)計采用太陽能電池板為節(jié)點在野外工作時進(jìn)行電能的補給，充電管理模塊則是根據(jù)日照情況以及電池能量狀態(tài)對鉛酸電池進(jìn)行合理、有效的充電。如圖9所示，光電耦合器TLP521-100和場效應(yīng)管Q共同構(gòu)成了充電模塊的開關(guān)電路，可以由CC2430芯片的I／0口很方便地進(jìn)行控制。

    在太陽能電池板對電池充電時，電池不能對系統(tǒng)進(jìn)行供電，因此設(shè)計中采用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態(tài)，雙電源切換管理模塊負(fù)責(zé)電源的安全、快速切換。如圖10所示，采用了兩個開關(guān)電路對兩塊電源進(jìn)行切換。

    在電源進(jìn)行切換時，總是先打開處于閑置狀態(tài)的電源，再關(guān)閉正在為系統(tǒng)供電的電源，因此會在一段短暫的時間內(nèi)同時有兩個電源對系統(tǒng)供電，這是為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)掉電情況。
    電源模塊需提供5 V、3．3 V、2．5 V等多組電源以滿足節(jié)點各模塊的供能需求。由于系統(tǒng)電源組較多，電壓轉(zhuǎn)換模塊采用了開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器以及低壓差線性穩(wěn)壓器等多種電壓轉(zhuǎn)換芯片來對電源進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，同時要確保電源模塊供能的高效性。

結(jié)語
    節(jié)點的設(shè)計對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)至關(guān)重要。本設(shè)計采用了功能強大的射頻芯片CC2430作為核心管理芯片，能較好地完成數(shù)據(jù)采集、分析、傳輸?shù)榷鄠€功能。硬件的模塊化設(shè)計大大加強了節(jié)點的穩(wěn)定性、可靠性和通用性，在野外無人值守的情況下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以長期、穩(wěn)定地進(jìn)行環(huán)境方面的監(jiān)測。