基于CC2531的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

摘要：提出一種基于SoC芯片CC2531的通用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)方案。該設(shè)計(jì)方案主要分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊4個(gè)部分。各模塊電路易于實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；采集節(jié)點(diǎn)；CC2531

引言
    半導(dǎo)體技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了具有現(xiàn)代意義的無線傳感器技術(shù)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、網(wǎng)絡(luò)、通信、光學(xué)、微機(jī)械等眾多領(lǐng)域。微型、高可靠、多功能、集成化的傳感器，低功耗、高性能的專業(yè)集成電路，微型、大容量的能源，高效、可靠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和操作系統(tǒng)，面向應(yīng)用、低計(jì)算量的模式識別，低功耗、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及現(xiàn)實(shí)環(huán)境的各種
應(yīng)用模式成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課題研究的重點(diǎn)。
    以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線應(yīng)用不需要較高的傳輸帶寬，但需要較低的傳輸延時(shí)和極低的功率消耗，使用戶能擁有較長的電池壽命和較多的器件陣列，同時(shí)需要一種低端的、面向控制的、應(yīng)用簡單的專用標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee的出現(xiàn)正好解決了這一問題。ZigBee是無線個(gè)人
局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network，WPAN)的標(biāo)準(zhǔn)之一，具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性以及全數(shù)字化等諸多優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)使得ZigBee 和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和開發(fā)已得到越來越多的關(guān)注。本設(shè)計(jì)基于ZigBee搭建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)硬件平臺，可以完成風(fēng)向、風(fēng)速和空氣濕度的測量。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由上位機(jī)、中轉(zhuǎn)器、匯聚節(jié)點(diǎn)和若干采集節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。采集節(jié)點(diǎn)采集并預(yù)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，在收到匯聚節(jié)點(diǎn)的上傳命令后將數(shù)據(jù)上傳至匯聚節(jié)點(diǎn)；匯聚節(jié)點(diǎn)收集采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)并通過中轉(zhuǎn)器將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)處理最終上傳的采集數(shù)據(jù)。上位機(jī)將用戶下達(dá)的各操作命令發(fā)送至中轉(zhuǎn)器，中轉(zhuǎn)器將命令信息傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將中轉(zhuǎn)器下發(fā)的命令通告?zhèn)€采集節(jié)點(diǎn)，同時(shí)負(fù)責(zé)采集節(jié)點(diǎn)相互間的組網(wǎng)及維護(hù)。


    本設(shè)計(jì)中采集節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)均采用CC2531作為核心控制芯片；中轉(zhuǎn)器采用ARM處理器作為核心控制芯片。采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)間以ZigBee協(xié)議進(jìn)行無線通信；匯聚節(jié)點(diǎn)與中轉(zhuǎn)器間采用串口通信；中轉(zhuǎn)器與上位機(jī)以GPRS通信方式進(jìn)行交互；上位機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

2 CC2531芯片簡介
    CC2531是TI公司推出的符合2．4 GHz IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。它具有很好的接收靈敏度和魯棒性以及低功耗特性，可編程輸出功率高達(dá)4．5 dBm，外部元件很少；結(jié)合RF收發(fā)器與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微控制器的性能，具有32 KB、64 KB、128 KB或256 KB的在系統(tǒng)可編程閃存和8 KB的RAM，且該RAM具備在各種供電方式下的數(shù)據(jù)保護(hù)能力；同時(shí)具有多種運(yùn)行模式，而且運(yùn)行模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)間短，使低能耗特性能夠進(jìn)一步保證。
    CC2531提供了101 dB的鏈路質(zhì)量以及一套廣泛的外設(shè)集，包括2個(gè)USART、8路輸入可配置的12位ADC、21個(gè)通用GPIO、高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器和具有捕獲功能的32 kHz睡眠定時(shí)器等設(shè)備。它支持一般的低功耗無線通信，可以應(yīng)用于遠(yuǎn)程控制、消費(fèi)型電子、家庭控制、計(jì)量和智能能源、樓宇自動化、醫(yī)療以及更多領(lǐng)域。

3 采集節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。整個(gè)采集節(jié)點(diǎn)可以劃分為電源模塊、處理模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊4個(gè)組成部分，各部分協(xié)
同工作。電源模塊負(fù)責(zé)電壓調(diào)理，為其他模塊提供所需要的電壓；處理模塊負(fù)責(zé)處理節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和命令；無線通信模塊負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)、命令的傳輸；數(shù)據(jù)采集模塊完成數(shù)據(jù)采集與信號調(diào)理。


3．1 電源模塊
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多用于人們不方便或者不經(jīng)常到達(dá)的地方，因此電源的選擇尤為重要。電源模塊控制著整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量分配，在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中具有極其重要的意義。目前，比較容易實(shí)現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)供電方式是電池供電，根據(jù)不同場合和條件也可以選擇不同種類電池。鋰電池的放電曲線平滑，可以保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在平常使用時(shí)具有更好的線性特性，因此可以作為系統(tǒng)能量來源的一種選擇。但是，鋰電池額定容量較小，而且需要升壓處理，限制了節(jié)點(diǎn)的生存期。為了維持更長的工作時(shí)間和節(jié)省成本，本設(shè)計(jì)采用5節(jié)7號鎳氫電池供電。除此之外，軟件上通過合理設(shè)置節(jié)點(diǎn)的發(fā)射、接收以及待機(jī)狀態(tài)，也可以有效地延長節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間。新的能源解決方法也是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要研究的重要課題，太陽能或者風(fēng)力充電就是目前的研究熱點(diǎn)。
    數(shù)據(jù)采集模塊需要外部提供5 V直流電壓，處理模塊及無線通信模塊需要3．3 V直流電壓，因而采用了Sipex公司的低壓差電源芯片SPX-2815和SP6201EM-3．3 V將輸入的電池電壓轉(zhuǎn)換為5 V和3．3V。經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換后將電源繼續(xù)劃分為數(shù)字部分與模擬部分供各芯片、模塊使用，保證模擬電源、數(shù)字電源之間不互相干擾。CC2531具有8路A／D接口，使用TI公司的基準(zhǔn)電壓二極管LM4040為CC2531的8路A／D接口提供2．5 V的參考電壓，同時(shí)為傳感器信號調(diào)理電路提供2．5 V電壓。LM4040的輸出電壓穩(wěn)定性好、精度高，輸出電壓精度為O．5％，其接口電路如圖3所示。


3．2 處理模塊
    處理模塊是采集節(jié)點(diǎn)的核心部分，主要由CC2531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。CC2531的接口電路如圖4所示。 CC2531具有21個(gè)I／O口(其中8路P0口具有A／D功能)，它們分別與傳感器接口、SPI存儲器及在線仿真器連接。圖中P0_7接收LM4040 提供的2．5 V基準(zhǔn)電壓；系統(tǒng)時(shí)鐘由32 MHz晶振提供；系統(tǒng)休眠所用時(shí)鐘由32．768 kHz無源晶振提供；復(fù)位按鍵與RESET連接，可實(shí)現(xiàn)硬件復(fù)位，初始化系統(tǒng)。


    為方便選擇不同種類的傳感器，我們將各I／O口連接到統(tǒng)一的傳感器排針接口上，并將具有A／D功能的I／O與GPIO在電路板上進(jìn)行了劃分，以防止數(shù)模串?dāng)_。這種設(shè)計(jì)增強(qiáng)了可擴(kuò)展性和靈活性。為實(shí)現(xiàn)對I／O口的高效利用，設(shè)計(jì)中有部分I／O進(jìn)行了復(fù)用。復(fù)用后最多可以有
6路A／D以及9路GPIO供采集多路模擬傳感器信號和數(shù)字傳感器信號使用，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇傳感器和連接接口。由于采集的數(shù)據(jù)量較大，而 CC2531自帶的內(nèi)存需要存儲程序，不能滿足存儲要求，所以需要外接存儲器。本設(shè)計(jì)選用Ramtron公司帶SPI接口的鐵電存儲器FM25L2 56，它具有高速數(shù)據(jù)存儲、功耗低、可擦寫次數(shù)多等優(yōu)點(diǎn)。選取CC2531提供的SPI接口1(即P0．2～P0．5四個(gè)引腳)與FM25L256連接，完成數(shù)據(jù)存儲。其接口電路如圖5所示。


3．3 無線通信模塊
    無線通信模塊作為系統(tǒng)中重要的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了采集節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)、采集節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)功能。本設(shè)計(jì)中，CC2531與 CC2591聯(lián)合使用構(gòu)成無線通信模塊。CC2591為TI公司面向低功耗與低電壓無線應(yīng)用的、集成度最高的2．4 GHz射頻前端。它集成了功率放大器(可將輸出功率提高+22 dBm)、低噪聲放大器(可將接收機(jī)靈敏度提高+6 dB)、平衡轉(zhuǎn)換器(balun)、交換機(jī)、電感器和RF匹配網(wǎng)絡(luò)等，從而能夠顯著增大無線系統(tǒng)的覆蓋范圍，降低系統(tǒng)安裝成本。這種高集成度簡化了高性能設(shè)計(jì)工作，使客戶能用極少的外部組件開發(fā)出高輸出功率的無線解決方案。CC2591為CC2531提供了無縫接口，對于加速系統(tǒng)開發(fā)、改善系統(tǒng)RF性能方面具有很大幫助。其連接電路如圖6所示。其中，B1為磁珠，作濾波用，推薦型號BLMl5HG102SN1D。


    TI公司為CC2591與CC2531之間的連接提供一個(gè)緊湊的參考設(shè)計(jì)，并提供了PCB板參數(shù)。PCB板經(jīng)過仿真驗(yàn)證后參照參考設(shè)計(jì)繪制，對電源、地的布局進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)。同時(shí)，天線的信號走線進(jìn)行了阻抗匹配設(shè)計(jì)，使到達(dá)天線端阻抗為50 Ω，并且PCB板上使用村田公司的高頻分立元件，以達(dá)到較好的信號傳輸效果，增加節(jié)點(diǎn)間的無線通信距離。
3．4 數(shù)據(jù)采集模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)信號的調(diào)理。選用EC21B型高動態(tài)性能測風(fēng)傳感器和PTS-3型空氣濕度傳感器。采用排針接口設(shè)計(jì)，如果需要用于其他的應(yīng)用場合，只需更換不同的傳感器(包括信號調(diào)理部分)并采用排線連接即可，大大擴(kuò)展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。
    EC21B型高性能測風(fēng)傳感器為三杯式、單尾翼型測風(fēng)傳感器，風(fēng)杯為一體式。該傳感器只需5 V電壓即可工作，輸出信號為RS485數(shù)字信號。為采集傳感器信號，需要對傳感器信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)選用了Exar半導(dǎo)體公司的SP3494芯片，實(shí)現(xiàn)了RS485信號和TTL信號的雙向轉(zhuǎn)換。SP3494是一個(gè)半雙工的轉(zhuǎn)換速率部分受限的收發(fā)器，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)2．5 Mbps，含有低功耗關(guān)斷模式和驅(qū)動器／接收器高阻使能控制線。測風(fēng)傳感器信號調(diào)理電路如圖7所示。SP3494的接收器輸出端(R0)、發(fā)送器輸入端 (DI)及使能端(、DE)通過排針與I／O接口連接；同相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(A)、反相發(fā)送器輸出／接收器輸入端(B)與傳感器信號線連接。


    PTS-3型空氣濕度傳感器需要5 V直流電壓供電，只需一根信號輸出線，輸出電壓范圍為1～4 V模擬信號。為了使PTS-3輸出的模擬電壓能夠被CC2531正確采樣，需要對輸出信號進(jìn)行調(diào)理，使其輸出信號更加穩(wěn)定且電壓值不超過基準(zhǔn)電壓。空氣濕度傳感器信號調(diào)理電路如圖8所示。U1為傳感器接口，5 V電源向傳感器供電，傳感器的輸出信號(1～4 V)通過精密電阻1／2分壓后送入由P354構(gòu)成的射隨器，并最終將信號送入CC2531的一個(gè)ADC通道。



結(jié)語
    基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、體積小的顯著優(yōu)點(diǎn)，可在特殊環(huán)境下實(shí)現(xiàn)檢測區(qū)域內(nèi)信號的采集傳輸與處理。Zig-Bee新一代 SoC芯片CC2531是真正的片上系統(tǒng)解決方案，適用于環(huán)境監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)測等系統(tǒng)的開發(fā)。伴隨新的能量解決方案的提出及無線自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將應(yīng)用到更多領(lǐng)域。