一種低成本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

摘 要： 基于PIC低功耗單片機與MEMS加速度傳感器，設(shè)計了一種低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。該設(shè)計采用性價比較高的PIC16系列單片機，軟件模擬PT2262遙控編碼器，配合I2C接口加速度傳感器、微型高頻發(fā)射器件，實現(xiàn)了通用MCU無線傳感器的節(jié)點方案，省去了昂貴的專用RF芯片，降低了系統(tǒng)成本。節(jié)點整體采用3.3 V單節(jié)鋰電池供電。實驗結(jié)果表明，該方案具有可靠、靈活、低功耗、低成本的特點，可廣泛應(yīng)用于低速實時測量、監(jiān)控防盜等場合。
關(guān)鍵詞： PIC單片機；加速度傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；EM310

　目前有多種可供選擇的無線組網(wǎng)方案，如ZigBee，其具有功耗低、傳輸速率高、體積小、協(xié)議成熟、節(jié)點能夠協(xié)同工作等特點。但ZigBee由于采用國外技術(shù)，其芯片價格高，限制了它的普及應(yīng)用。PT2262/PT2272系列編解碼芯片是一種采用CMOS工藝、低功耗、低價位芯片，在遙控門、防盜、玩具等產(chǎn)品中大量使用，但其在數(shù)據(jù)傳輸、安全性等方面有所不足。本文利用PIC16LF876單片機模仿PT2262編碼方式，并進行了改進，配合433 MHz高頻發(fā)射電路，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線傳輸組網(wǎng)。傳感器選用具有數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MX6202，可以無線采集加速度、傾斜角數(shù)值，具有接口簡單、體積小、價格低的優(yōu)點。無線節(jié)點部分均選用低電壓器件，實現(xiàn)了單節(jié)鋰電池供電。特別適合網(wǎng)點數(shù)量龐大、對成本敏感(如家居、防盜、物聯(lián)網(wǎng)等)場合的應(yīng)用。
1 無線傳感器系統(tǒng)設(shè)計方案
　無線傳感器系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點與網(wǎng)關(guān)兩部分。傳感器節(jié)點負責(zé)實地數(shù)據(jù)采集，網(wǎng)關(guān)負責(zé)接收各節(jié)點數(shù)據(jù)，匯總處理后經(jīng)GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)通知用戶。本文重點介紹傳感器節(jié)點，給出了軟硬件實現(xiàn)方法。無線傳感器系統(tǒng)組成如圖1所示。其中無線傳感器節(jié)點中的虛線框為擴展部分，F(xiàn)05V與J05U為微型433M發(fā)射接收模塊；無線網(wǎng)關(guān)部分負責(zé)匯總節(jié)點信息與外界通信，采用EM310模塊，GSM/GPRS傳輸。

　傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形連接方式，由各無線節(jié)點與網(wǎng)關(guān)組成。在大部分場合下(如防盜、環(huán)境監(jiān)測等)可以采用單向通信方式，即節(jié)點發(fā)射、網(wǎng)關(guān)接收，這樣，圖1中的虛線部中的節(jié)點的超外差接收電路、網(wǎng)關(guān)的RF發(fā)射電路即可以省去。當(dāng)需要實時采集、強調(diào)同步性時，加上虛線框內(nèi)部分，由網(wǎng)關(guān)集中控制各節(jié)點動作，通過發(fā)采集或變更工作模式指令，控制各節(jié)點，采用雙向通信方案。本文介紹的為單向通信方案。
　傳感器節(jié)點是系統(tǒng)的重要部分，負責(zé)現(xiàn)場采集工作，其工作穩(wěn)定與否對整個系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。而當(dāng)節(jié)點數(shù)量較多時，它的成本占系統(tǒng)的絕大部分。有許多節(jié)點需要獨立在室外工作并由電池供電，對能耗有較高的要求。為此，本設(shè)計通過PIC單片機模擬PT2262芯片編碼，對433 MHz高頻電路完成鍵控調(diào)制(ASK)，省去了無線收發(fā)芯片，實現(xiàn)了通用MCU+傳感器的節(jié)點方案，大大降低了系統(tǒng)成本。采用的PIC超低功耗MCU，具有與MSP430相似的節(jié)能特性，選用低電壓RF模塊F05V，實現(xiàn)了系統(tǒng)的3.3 V供電。
2 無線傳感器節(jié)點設(shè)計
2.1 節(jié)點硬件電路設(shè)計
　無線傳感器節(jié)點是本文的重點部分，需要滿足低成本、低功耗、小體積、適合電池供電等要求。無線節(jié)點方案比較如表1所示。

　(1)本節(jié)點設(shè)計時所用器件及其性能：選用的PIC16LF876單片機，其性價比較高、外設(shè)豐富、工作穩(wěn)定，具有針對電池供電的低功耗系列；最高速率為4 MIPS，工作電壓為2~5.5 V，22個I/O口，片上集成有WDT、CCP、PWM、A/D等外設(shè)，14 KB Flash，368 bit RAM、256 bit EEPROM，具有休眠省電模式。PIC16系列單片機不同型號之間大部分可兼容，可以根據(jù)需要，選用價格更低的PIC16F72或采用納瓦(nW)及超低功耗技術(shù)的PIC16F723，程序稍作改動，器件即可封裝兼容。
　(2)加速度傳感器選用數(shù)字I2C接口的雙軸加速度傳感器MXC6202，其具有±2 g的測量范圍，可以測量重力加速度，小體積、低功耗、接口簡單，工作電壓范圍為2.7~3.6 V，有休眠模式，在保證低價格、小體積的同時，可以滿足防盜、人體姿態(tài)測量等應(yīng)用的需求。
　(3)RF電路采用F05V微型發(fā)射模塊，具有2.1~3.5 V的低電壓、低功耗(10 mA，連發(fā))及1~10 kb/s的傳輸速率，可以滿足監(jiān)控等場合數(shù)據(jù)采集的需要。小體積、低價位，只有正電源、地、數(shù)據(jù)輸入、天線(天線按照手冊由導(dǎo)線繞制而成)輸出4個接口，可以像一個三極管一樣使用它。
　(4)網(wǎng)關(guān)配套的接收電路是J05U超外差接收模塊，具有與F05V類似的特點。使用PT2262/PT2272編解碼方案，開闊地接收距離在300 m左右。
　(5)無線節(jié)點采用的是電池供電的方式，因此，電池的好壞對整個系統(tǒng)的工作持久性有重要影響。本設(shè)計采用的是非充電性18650高容量鋰電池，電壓為3.7 V，容量在1 700 mah以上，具有涓流放電、電壓恒定等特點。經(jīng)肖特基二極管降壓后得到約3.3 V電壓為系統(tǒng)供電。
節(jié)點的硬件原理圖如圖2所示。